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Leistungsfähige Solarzellen: Physiker aus Halle lassen stabile Perowskitschichten wachsen

Nummer 156/2018 vom 06. November 2018
Sie sind der Schlüssel zu modernen Dünnschicht-Solarzellen: Mit kristallinen Perowskit-Zellen lassen sich im Labor bereits heute sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Bei der kommerziellen Anwendung hapert es aber, weil das Material noch zu instabil ist und bisher kein industrielles Produktionsverfahren für Perowskite etabliert ist. Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) präsentieren in einer neuen Studie in der Fachzeitschrift "Journal of Physical Chemistry Letters" einen Ansatz, der dieses Problem lösen könnte. Außerdem beschreiben sie detailliert, wie sich Perowskite bilden und wie sie wieder zerfallen. Die Ergebnisse können künftig bei der Produktion leistungsfähiger Solarzellen helfen.

Perowskite genießen in der Solarbranche aktuell eine große Aufmerksamkeit. Erst im Jahr 2009 gelang Forschern der Nachweis, dass organisch-anorganische Verbindungen mit der speziellen Perowskit-Kristallstruktur gute Absorber sind, mit deren Hilfe Sonnenlicht effektiv in Strom umgewandelt werden kann. Binnen weniger Jahre wurde der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen im Labor auf weit über 20 Prozent erhöht. "Moderne, monokristalline Silizium-Solarzellen erreichen zwar noch leicht bessere Werte, sie sind aber deutlich aufwändiger herzustellen und an ihnen wurde auch länger gearbeitet", sagt der Physiker und Studienleiter Dr. Paul Pistor von der MLU. Bislang gibt es aber keine marktreifen Solarzellen auf Perowskit-Basis: Noch existiert kein etabliertes Verfahren zur großflächigen Herstellung von Perowskiten. Außerdem sind die dünnen Kristallschichten relativ instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. "Durch hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit zersetzen sich die Perowskite und verlieren so die Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln", sagt Pistor. Solarzellen müssen allerdings erhöhte Temperaturen aushalten, da sie dauerhaft der Sonne ausgesetzt sind.

Die Physiker aus Halle untersuchten in ihrer Studie einen speziellen, anorganischen Perowskit, das aus Cäsium, Blei und Brom oder Jod besteht. Anstelle der gängigen nass-chemischen Verfahren zur Herstellung von Perowskiten setzten sie ein Verfahren ein, das in der Industrie bereits vielfach zur Herstellung dünner Schichten und verschiedener Bauelemente verwendet wird. Dabei wird in einer Vakuumkammer ein Substrat aus mehreren heißen Quellen bedampft, auf dem dadurch dünne kristalline Schichten wachsen. "Der Vorteil dieser Methode ist, dass sich der Verlauf beeinflussen lässt. So können wir das Wachstum der Kristalle gezielt steuern", erklärt Pistor. Seine Arbeitsgruppe konnte so Perowskit-Schichten erzeugen, die sich erst bei Temperaturen von 360 Grad Celsius zersetzten. Mit Hilfe einer modernen Röntgenanalytik analysierten die Forscher zudem die Wachstums- und Zerfallsprozesse der Kristalle in Echtzeit.

Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften der Perowskite und deuten auf ein Verfahren hin, das womöglich für die industrielle Umsetzung der modernen Perowskit-Solarzelltechnologie in Frage kommt.

Zur Studie: Burwig T., Fränzel W., Pistor P., Crystal Phases and Thermal Stability of Co-evaporated CsPbX3 (X = I, Br) Thin Films, Journal of Physical Chemistry Letters (2018), doi: 10.1021/acs.jpclett.8b02059

 

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