Perowskit-Solarzellen ohne giftiges Blei: Deutsch-chinesische Zusammenarbeit brachte den Durchbruch

Solarzellen, die das Licht der Sonne mit Perowskit-Kristallen einfangen und in Strom umwandeln, gehört die Zukunft. Ihr Wirkungsgrad ist in den letzten Jahren dramatisch angestiegen. Die benötigten Rohstoffe sind billig, ebenso die Herstellung, weil wenig Energie dazu nötig ist. Sie haben nur einen Nachteil: Sie enthalten giftiges Blei.

Weltweit suchen Forscher nach einem Ersatz für das Schwermetall. Zinn ist ein vielversprechender Kandidat, doch es oxidiert schnell, sodass der Wirkungsgrad nach kurzer Zeit so mickrig ist, dass die Zelle als Stromerzeuger nicht mehr taugt. Jetzt haben Berliner und chinesische Forscher eine Lösung gefunden, Zinn gegen den Sauerstoff der Luft mit organischen Verbindungen, also einem speziellen Kunststoff, abzuschirmen.

Kunststoff schützt Zinn vorm Oxidieren

Den Durchbruch hat eine internationale Kooperation unter der Leitung von Antonio Abate vom Helmholtz-Zentrum Berlin und Zhao-Kui Wang vom Institut für funktionelle Nano- und weiche Materialien an der Soochow Universität in China erzielt. Der mit Zinn und Kunststoff versetzte Perowskit-Kristall ist extrem dünn, ähnlich wie Graphen, das vermeintliche Wundermaterial, das aus einer einzigen oder wenigen Lagen bienenwabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome besteht.

Erstautor Meng Li, der, betreut von Abate, in Berlin promoviert hat, nennt den Kunststoff bei seinem schier unaussprechlichen Namen: Phenylethylammoniumchlorid. Damit wird der Kristall bedeckt. Wärmezufuhr sorgt dafür, dass die Kunststoffmoleküle in den Perowskit eindringen und sich schützend vor die Zinnatome legen. So entstünden vertikal geordnete Stapel von zweidimensionalen Perowskit-Kristallen.

Strukturanalyse im Synchrotron von Schanghai

Wie genau die Wärmebehandlung aussehen muss haben Messungen an der Röntgenquelle Shanghai Synchrotron Radiation Facility gezeigt. Dabei handelt es sich um ein Synchroton, in dem in einem ringförmigen Rohr Elektronen kreisen. Wenn sie aus der Bahn geworfen werden, entstehen Röntgenstrahlen, die winzige Strukturen sichtbar machen.

Die besten dieser bleifreien Perowskit-Solarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 9,1 Prozent und hohe Stabilitätswerte. Das ist verglichen mit den Perowskit-Rekordhaltern, die locker 25 Prozent erreichen, noch nicht viel. Doch Abate ist sicher: „„Diese Arbeit ebnet den Weg für effizientere und stabilere bleifreie Perowskit-Solarzellen.“

via Helmholtz Zentrum Berlin