Forscher am Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) suchen nach Alternativen für Blei in Perowskit-Solarzellen. Wie die Universität mitteilte, hofft man so umweltfreundlichere Halbleitermaterialien einsetzen zu können. Die Blei-Halogenid Halbleiter zeichneten sich neben günstigeren Herstellungskosten zweierlei aus. Das sind ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Defekttoleranz . Das heißt, die Leistung der Zelle mindere sich auch bei Fehlern in der Kristallgitterstruktur kaum. Ein Nachteil sei jedoch, dass die Halogenid-Perowskit-Solarzellen Blei enthalten.

Blei-Halogenid-Perowskitzellen funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie klassische Solarzellen. Ihre Entwicklung ist in den vergangenen 15 Jahren rasant vorangeschritten. Einzelzellen erreichen heute Wirkungsgrade von über 26 Prozent. Im Vergleich zu Silizium-Zellen ist ihr Herstellungsprozess auch deutlich einfacher. Sie haben eine polykristalline Struktur und lassen sich bei Raumtemperatur aus der Flüssigphase verarbeiten: gedruckt oder in dünnen Schichten auf Substrate aufgesprüht.

Defekttolerantes Material

„Die Entdeckung von Blei-Halogenid-Perowskit kann man nur als Glücksfall bezeichnen“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Heiß, Professur für Werkstoffwissenschaft der FAU. „Denn das Material ist von sich aus defekttolerant. Ideal wäre, das Blei zu ersetzen. Deshalb würde eine Vorhersage, welche Materialverbindungen defekttolerant sein könnten, entscheidende Fortschritte bringen.“ Im interdisziplinären Forschungsprojekt am Energiecampus Nürnberg vereinen sich Materialwissenschaft, Defektcharakterisierung und computergestützte Modellierung in der theoretischen Chemie. Gemeinsames Ziel ist, verlässliche Vorhersagen zu umweltfreundlichen Materialien zu ermöglichen.

Unter Defekttoleranz verstehen die FAU-Forschenden, die Fähigkeit von Halbleiterstrukturen trotz Kristallisationsfehlern ihre optoelektronischen Eigenschaften zu bewahren. Dabei geht es Ihnen auch darum, den Einfluss vorhandener Defekte auf die Lebensdauer von Ladungsträgern zu minimieren.

Verschiedene Kandidaten als Blei-Substitut

Theoretische Vorhersagen gebe es zwar. Aber sie seien rechenintensiv und nur für wenige Halbleiter vorhanden, und sie entsprechen oft nicht den experimentellen Bedingungen. „Unser Forschungsansatz kombiniert von Anfang an Theorie und Experiment interdisziplinär, so dass beide Methoden Hand in Hand gehen. Das ermöglicht eine ganzheitliche Interpretation der Ergebnisse und eröffnet gleichzeitig neue Wege, um vielversprechende neue Halbleiterverbindungen für Dünnschicht-Solarzellen zu finden“, stellt Heiß’ beteiligter Kollege Dr. Bernd Meyer, Professor für Computational Chemistry an der FAU, fest. Dabei werden experimentelle Methoden, die das Einfangen von Ladungsträgern in Defekten charakterisieren, mit Berechnungen aus der theoretischen Chemie verglichen.

Inzwischen stehen vielversprechende Materialien für defekttolerante Halbleiter zur Diskussion. Die in Frage kommenden Kandidaten müssen noch weiter untersucht und experimentell verifiziert werden. Sollten sich ihre Eigenschaften bestätigen, könnten sie eine Grundlage für eine bleifreie und damit umweltfreundliche Photovoltaik bilden.

„Verbraucher könnten von kostengünstigeren und langlebigeren Solarzellen profitieren, was die Energiewende voranbringen und nachhaltige Alternativen zur Stromerzeugung unterstützen könnte. Da die neuen Materialien druckbar, leichtgewichtig und flexibel in der Form sind, können sie besser an verschiedene Anwendungen und Bedürfnisse angepasst werden“, beschreibt Maria Hammer, Leiterin des EnCN, die Vorteile.

Quelle: FAU | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH