So vielversprechend Perowskit-Solarzellen mit Blick auf Kosten, Effizienz und Einsatzmöglichkeiten auch sind – sie haben doch bislang noch einen großen Nachteil, der ihre breite Kommerzialisierung verhindert: Sie verlieren schnell an Leistung. Nun ist es Forschern der südkoreanischen Pusan National University und der US-amerikanischen University of California in San Diego gelungen, mit einem bildgebenden Verfahren strukturelle Veränderungen auf atomarer Ebene zu beobachten, die zu dieser Degradation führen.
In den Perowskit-Zellen bilden sich bei Sonnenlicht frei bewegliche Ionen-Lücken in der Struktur, die dann in Richtung der Elektroden wandern. Bei Dunkelheit kehrt sich der Effekt um, und die Ionen verteilen sich erneut in der Perowskit-Struktur. Wiederholte Zyklen dieses Ionentransports während des Betriebs der Solarzelle führen zu einer dauerhaften Degradation der Zelle. Eine durch die Ionenwanderung verursachte Degradation auf atomarer Ebene wurde jedoch bislang noch nicht direkt beobachtet.
Das ist dem internationalen Forscherteam nun aber gelungen: Sie haben Veränderungen in der Perowskit-Struktur mithilfe einer In-situ-Transmissionselektronen-Mikroskopie (TEM) beobachtet. „Diese Arbeit liefert wichtige Einblicke in das Verständnis der Ionenmigration und die Bewältigung der Instabilitätsprobleme in der Perowskit-Optoelektronik“, erklärt Studienleiter Min-cheol Kim von der Universität Pusan. Die Studie ist in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.
Schnellere Rekristallisation durch Erwärmung
Die besondere Herausforderung für die Forscher lag darin, dass die Elektronenmikroskopie zwar die Möglichkeit bietet, Strukturen auf atomarer Ebene abzubilden – es aber wegen der Instabilität der Perowskit-Struktur gegenüber einer externen elektrischen Spannung schwierig ist, sie auf strukturelle Veränderungen hin zu überwachen. Die Forscher umgingen dieses Problem, indem sie Perowskite unter einer stabilen Spannung abbildeten. Zunächst stellten sie eine dünne Schicht einer Nano-Perowskit-Solarzelle her. Die Schicht haben sie dann zwischen den Elektroden eines elektronischen Chips platziert und eine stabile Spannung an die Probe angelegt. Diese Anordnung ermöglichte es den Forschern, die von der Solarzelle unter Arbeitsbedingungen erzeugte Photospannung zu stimulieren. Die Struktur haben die Forscher dann im TEM untersucht.
Dabei beobachteten die Wissenschaftler ein allmähliches Verschwinden der Gitterstreifen der Perowskit-Kristalle, was auf eine „Amorphisierung“ der Struktur hinweist. Wie bei diesen Kristallen üblich, war die Amorphisierung unter dunklen Bedingungen reversibel.
Mit Hilfe des TEM stellten die Forscher jedoch fest, dass die Rekristallisation schneller vonstatten ging, wenn die Probe auf 50 Grad erwärmt wurde. „Diese Arbeit zeigt nicht nur, dass die Amorphisierung von Perowskiten in Echtzeit beobachtet werden kann, sondern bietet auch eine wirksame Methode, um die durch Ioneninstabilität verursachte Leistungsminderung von Perowskit-Solarzellen zu beheben“, erklärt Kim.
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