Inhomogene Chlorverteilung in Perowskit-Schichten
Experimente an BESSY II zeigten, dass die Konzentration von Chlor an der Grenzfläche Perowskit/TiO2 höher ist als in der restlichen Schicht. © D. Starr/HZB
Mit verschiedenen röntgenspektroskopischen Experimenten an BESSY II zeigte ein HZB-Team, dass sich Chlor in einer bestimmten Klasse von Perowskiten sehr ungleichmäßig verteilt: während an der Oberfläche Chlor nicht nachweisbar ist, findet man in tieferen Lagen, insbesondere an der Grenzfläche zum Substrat, eine signifikante Chlorkonzentration. Die Ergebnisse könnten Wege aufzeigen, bei der Herstellung der Schichten die Verteilung der Chloratome zu kontrollieren und dadurch die Effizienz von Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen weiter zu steigern.
Seit 2012 in rascher Folge immer neue Wirkungsgradrekorde vermeldet wurden, zählen organisch-anorganische Perowskitmaterialien zu den interessantesten neuen Materialklassen für Solarzellen. Gerade die organometallischen Halogenid-Perowskite sind kostengünstig, einfach zu verarbeiten und haben bereits Wirkungsgrade bis zu 20,1 % erzielt. Zu den Pionieren auf diesem Gebiet zählt die Gruppe um Henry Snaith an der University of Oxford, England.
Chlor scheint einfach zu verschwinden
Die beste Leistung zeigten bislang Perowskit-Schichten aus einer Lösung von Blei-Methylammonium und den Halogeniden Iod und Chlor. Doch obwohl in den Ausgangsprodukten das Mischungsverhältnis zwischen Chlor und Iod etwa 2/3 beträgt, enthalten die fertigen Perowskit-Schichten fast gar kein Chlor, sondern nur noch Iod. Dabei scheint ein gewisser Chloranteil im Material sich auf die Effizienz günstig auszuwirken.
Chlorgehalt in tieferen Schichten analysiert
Nun hat ein Team am HZB Proben aus der Gruppe um Henry Snaith eingehend analysiert und aufgedeckt, wo Chlor in der Perowskit-Schicht bleibt und wo es verschwindet. Um die Verteilung von Chlor in verschiedenen Schichttiefen der Perowskit-Proben zu untersuchen, nutzten sie zwei Röntgen-Spektroskopie-Methoden an BESSY II. Mittels Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) an der KMC-1 Beamline analysierten sie die Oberflächen der Perowskit-Proben und konnten dort keine Chloratome nachweisen. Die tieferen Schichten der Probe untersuchten sie mit Fluoreszenz-Röntgen-Absorptionsspektroskopie (FY-XAS): „Nahe der Grenzfläche zwischen Perowskit und dem Titandioxidsubstrat konnten wir eine höhere Konzentration von Chlor nachweisen als in der Perowskit-Schicht selbst“, erklärt Dr. David Starr, Erstautor der Publikation in Energy & Environmental Science.
Chlor steigert den Wirkungsgrad
Warum Chlor den Wirkungsgrad günstig beeinflusst, ist noch nicht ganz klar; möglicherweise mindert es die Auswirkungen von Fehlstellen und erhöht somit die Qualität der Perowskit-Schicht. „Diese Ergebnisse werden uns vielleicht zeigen, wie man bei der Herstellung die Verteilung von Chlor besser kontrollieren kann“, sagt Prof. Dr. Marcus Bär, der das HZB-Team leitet. „Das Ziel ist, die Materialzusammensetzung und Deposition gezielt zu steuern, um spezifische, gewünschte Eigenschaften zu erhalten. Wenn wir die nützliche Rolle von Chlor in Blei-haltigen Perowskiten besser verstehen, können wir vielleicht in weiteren Schritten auch das Blei durch weniger toxische Elemente ersetzen.“
Zur Publikation: Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1609, DOI: 10.1039/c5ee00403a
Direct observation of an inhomogeneous chlorine distribution in CH3NH3PbI3_xClx layers: surface depletion and interface enrichment. David E. Starr, Golnaz Sadoughi, Evelyn Handick, Regan G. Wilks, Jan H. Alsmeier, Leonard Köhler, Mihaela Gorgoi, Henry J. Snaith and Marcus Bär
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.