Perowskit-Solarzellen: Auf dem Weg zum gezielten Design von Tinten für die industrielle Fertigung
Schematische Darstellung: Aus der Tinte bildet sich über Zwischenphasen eine polykristalline Perowskit-Dünnschicht. © HZB
Für die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige Photovoltaikmodule werden oft optimierte „Tinten“ verwendet, die eine Mischung von Lösungsmitteln enthalten. Ein HZB-Team hat nun an BESSY II analysiert, wie die Kristallisationsprozesse in solchen Mischungen ablaufen. Mit einem neu entwickelten Modell ist es zudem nun möglich, die Kinetik der Kristallisationsprozesse für verschiedene Lösungsmittelgemische vorab zu bewerten. Dies ist hilfreich für die Produktion von Perowskit-Modulen im industriellen Maßstab.
Hybride organische Perowskit-Halbleiter ermöglichen Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden bei niedrigen Kosten. Sie können aus Vorläuferlösungen hergestellt werden, die nach dem Auftragen auf ein Substrat einen polykristallinen Dünnfilm bilden. Einfache Herstellungsverfahren wie das Aufschleudern einer Vorläuferlösung führen oft nur im Labormaßstab, d.h. bei sehr kleinen Proben, zu guten Ergebnissen.
Perowskit-Schichten aus dem Tintendrucker
Für die Herstellung großflächiger Photovoltaikmodule entwickelt das Team von Dr. Eva Unger daher Druck- und Beschichtungsverfahren: Sie verwenden dabei „Tinten“ aus den in Lösungsmitteln gelösten Vorläufersubstanzen. Die Zusammensetzung der Tinte ist entscheidend für die Qualität der späteren Dünnschicht: Die Lösungsmittel beeinflussen durch ihre Eigenschaften den Prozess der Kristallisation. „Unsere Forschungsfrage lautete: Wie können wir Unterschiede in der Kristallisationskinetik bei der Verwendung verschiedener Lösungsmittel vorab wissensbasiert abschätzen?" erklärt Unger, die am HZB die Nachwuchsgruppe Hybridmaterialbildung und Skalierung leitet.
Unterschiedliche Verdampfungsraten
In Lösungsmitteln mit nur einer Komponente wird der Kristallisationsprozess durch die Verdampfungsrate bestimmt. „Bei Mischungen aus verschiedenen Lösungsmitteln wird die Verdampfung von der flüchtigsten Komponente dominiert, die am schnellsten verdampft. Dadurch ändert sich das Verhältnis der Lösungsmittel, die bei der Kristallisation vorhanden sind", sagt Dr. Oleksandra Shargaieva, Postdoc in Ungers Team. Am KMC-2-Strahlrohr von BESSY II konnte sie die Zwischenphasen während der Bildung der Perowskit-Dünnschicht analysieren. „Dabei spielen sowohl die Verdampfungsraten der Lösungsmittel als auch die Bindungsstärken an das Bleihalogenid eine Rolle“, sagt Shargaieva.
Wissensbasierte Optimierung
„Diese Erkenntnisse sind hilfreich, um die Kinetik der Kristallisationsprozesse des Perowskit-Dünnfilms für verschiedene Lösungsmittelkombinationen zu berechnen", sagt Shargaieva. Und Unger ergänzt: „Beim Aufskalieren vom Labormaßstab mangelt es noch an systematischem Wissen. Mit diesen Ergebnissen ebnen wir den Weg für das wissensbasierte Design von Tinten, um die Herstellung von Perowskit-Dünnschichten im industriellen Maßstab oder von Perowskit-Dünnschichten hoher Qualität zu ermöglichen.“
- Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für BrennstoffzellenEisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.
- Helmholtz-Nachwuchsgruppe zu MagnonenDr. Hebatalla Elnaggar baut am HZB eine neue Helmholtz-Nachwuchsgruppe auf. An BESSY II will die Materialforscherin sogenannte Magnonen in magnetischen Perowskit-Dünnschichten untersuchen. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, mit ihrer Forschung Grundlagen für eine zukünftige Terahertz-Magnon-Technologie zu legen: Magnonische Bauelemente im Terahertz-Bereich könnten Daten mit einem Bruchteil der Energie verarbeiten, die moderne Halbleiterbauelemente benötigen, und das mit bis zu tausendfacher Geschwindigkeit.
Dr. Hebatalla Elnaggar will an BESSY II magnetische Perowskit-Dünnschichten untersuchen und damit die Grundlagen für eine künftige Magnonen-Technologie schaffen.
- Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen könnenIn diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie versauern immer mehr. Meeresschnecken zeigen bereits erste Schäden, aber die zunehmende Versauerung könnte auch die kalkhaltigen Skelettstrukturen von Korallen beeinträchtigen. Dabei leiden Korallen außerdem unter marinen Hitzewellen und Verschmutzung, die weltweit zur Korallenbleiche und zum Absterben ganzer Riffe führen. Wie genau wirkt sich die Versauerung auf die Skelettbildung aus?
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel, ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky, Experte für Röntgenbildgebung an der Charité Berlin, untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden. Antonia Rötger befragte die beiden Experten online zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.