Ein Impulsgeber in der Photovoltaik-Industrie
Die Weiterentwicklung der Photovoltaik-Technologien ermöglicht nachhaltigere Lösungen durch die Verwendung von umweltfreundlich verarbeiteten Nanomaterialien beim Bau von Nanokristall-Solarzellen. Insbesondere der Metallhalogenid-Perowskit-Nanokristall bietet vielversprechende Möglichkeiten für effiziente photovoltaische und photolumineszente Materialien. Dies gründet auf seinen exzellenten optoelektronischen Eigenschaften, wie z. B. einer hohen Photolumineszenz-Quantenausbeute von über 90 %. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts FASTEST wurde eine Methode zur Synthese von phasenstabilen anorganischen Perowskit-Nanokristallen mit einer Hochdurchsatz-Ausbeute entwickelt, die auf der Verarbeitung in einer Umgebung mit Raumtemperatur beruht. Diese Methode beinhaltet eine Anti-Lösungsmittel-Technik zur Nanokristall-Umfällung. Die Herstellung von Perowskit-Nanokristallen umfasst die Injektion einer Perowskit-Vorläuferlösung in das Anti-Lösungsmittel-Gemisch, die Reinigung der Nanokristall-Lösung mit Waschlösungsmitteln, das Sammeln der Nanokristalle durch Zentrifugation und die Bildung eines Perowskits durch die Anwendung einer schichtweisen Abscheidungstechnik. „Diese Methode zielt darauf ab, die Reaktionsausbeute von Perowskit-Nanokristallen in der gewünschten Perowskit-Phase zu erhöhen. Sie verspricht eine einfache und zuverlässige Herstellung von Perowskit-Nanokristallen unter Umgebungsbedingungen, ohne Vakuum und Temperatursteuerung“, erklärt Projektkoordinator Min Kim. „Wir könnten uns vorstellen, dass sie auch für andere Arten von Perowskit-Nanokristallen mit anderen Metallkombinationen (z. B. Ge, Sn, Bi und Ag) für verschiedene optoelektronische Anwendungen, wie Leuchtdioden, Photovoltaik, Laser und Photonendetektion, anwendbar wird.“
Ein Einblick in das Labor
Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Perowskit-Nanokristallen war die Hochdurchsatzsynthese von monodispersen Nanokristall-Lösungen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften und die Umwandlung dieser Lösungen in hochwertige Nanokristallfilme. In der ersten Phase des Projekts, während Kim versuchte, sich mit diesem Thema zu beschäftigen, trat jedoch ein zusätzliches Problem auf: Die synthetisierten Nanokristalle waren nicht stabil genug für die Herstellung von Bauelementen. Das lag daran, dass das Anti-Lösungsmittel im Kristallisationslösungsmittel auch einige organische Liganden abreißen kann, die eigentlich an die Perowskit-Oberfläche gebunden werden sollen. „Also fügte ich dem kristallisierenden Lösungsmittelgemisch ein zusätzliches koordinierendes Lösungsmittel hinzu, was sich als effizienter bei der Erhöhung der Produktionsausbeute erwies. Das koordinierende Lösungsmittel ist das Schlüsselelement dieser Arbeit, aber ich kann den Namen der Chemikalie nicht verraten, weil das Patentdokument noch in Bearbeitung ist“, gesteht Kim.
Perowskit – eine Lösung für heute und morgen
Der Hauptvorteil der Perowskit-Solarzelle ist ihre kostengünstige Herstellung im Vergleich zu anderen Arten von Photovoltaik-Technologien. „Ich hoffe, dass die Fertigung der Perowskit-Nanokristall-Solarzellen kompatibler mit der großflächigen Drucktechnik wird und sich in der Produktion problemlos hochskalieren lässt, was die Kommerzialisierung der hocheffizienten Solarzellen im großen Maßstab ermöglicht“, sagt Kim. Dennoch wird seine Forschung auf diesem Gebiet fortgesetzt. Er ist auf der Suche nach anderen Perowskit-Materialien, die kein Bleimetall enthalten, da das Element Blei, wenn es austritt, eine Gefahr für den menschlichen Körper und die Umwelt darstellt. „Um eine geeignete Kombination von Perowskit-Material zu finden, werde ich eine Strategie der Computersimulation anwenden und die zuvor entwickelte Synthesetechnik nutzen“, erklärt der Stipendiat.
Schlüsselbegriffe
FASTEST, Perowskit, Nanokristall, Photovoltaik, Solarzellen, Materialien, Optoelektronik, Photolumineszenz
