Perowskit-Forschung setzt auf multifunktionale Additive statt Einzelstoffe

Zwitterionen als multifunktionale Additive

Zwitterionen sind neutrale Moleküle, die positive und negative Ladungen tragen. Der Überblicksartikel legt dar, dass die doppelte Ladung mehr bewirkt als die Passivierung von Defekten.

Laut der Arbeit kann eine molekulare Einheit gleichzeitig Defekte passivieren, die Kristallisation steuern und die Energieniveaus an den Grenzflächen abstimmen. Diese Kombination bieten nach Einschätzung der Autoren herkömmliche Passivatoren auf Basis von Lewis-Säuren und -Basen sowie einzelne ionische Additive nicht. Das ist wichtig, weil Perowskit-Zellen durch Defekte weiterhin Wirkungsgrad verlieren und unter Hitze und Feuchtigkeit altern. Jedes Additiv muss also Leistung und Haltbarkeit zugleich verbessern. Die genannten Wirkungsgrade stammen aus dem Labor. Weder Lebensdauern kommerzieller Module noch Fertigungsausbeuten finden sich in den veröffentlichten Ergebnissen.

Zwitterionen vom Betain-Typ sind am gründlichsten untersucht, heißt es in der Arbeit. In Zinn-Perowskiten hob die Aminosäure L-Asparagin den Zellwirkungsgrad von 10,54% auf 13,31%.

Formamidinsulfinsäure ermöglichte 22,06% in einem Bauteil mit breiter Bandlücke. Die Wirksamkeit dieser Mechanismen hängt nach Angaben der Autoren von der Molekülstruktur ab, davon, wie die Verbindung eingebracht wird und wo sie im Bauteil sitzt. Flüssige Zwitterionen könnten die schlechte Löslichkeit lösen, ergänzen sie.

Automatisierung und Salzadditive zielen auf die Schichtbildung

An der Universität Osaka bauten Forscher eine automatisierte Plattform, die die Bildung des Perowskit-Films in Echtzeit verfolgt. Sie misst Farbänderungen im Subsekundenbereich und löst Bewegung und Aufprall von Antilösungsmittel-Tröpfchen innerhalb weniger Millisekunden auf. Asia Research News berichtete am 2. November, dass das in ACS Nano beschriebene System diese Messungen mit maschinellem Lernen verbindet. Mit der Auswertung steuerte das Team die Herstellung eines Bauteils auf Bleibasis, das 24,4% Wirkungsgrad erreichte.

„Wir wollen über Versuch und Irrtum hinauskommen, indem wir messen, was mit dem Film passiert, während er entsteht“, sagte Erstautor Ryosuke Kado.

Forscher am Argonne National Laboratory senkten mit zwei Salzen, Zinkbromid und Methylammoniumchlorid, den Schmelzpunkt der Perowskit-Vorläufer. Der Film verflüssigt sich kurz, dann ordnen sich die Atome zu einer gleichmäßigeren Struktur. Nanowerk berichtete am 30. Oktober, dass das in Science veröffentlichte Verfahren eine Solarzelle mit 26,5% Wirkungsgrad und eine LED mit 26,1% externer Quanteneffizienz hervorbrachte. „Defekte sind seit fast einem Jahrzehnt der Engpass für Perowskite“, sagte Studienautor Yanqi Luo.

Stabilität bekommt einen Schritt zur Lithiumentfernung

Stabilität ist die andere Hälfte des Problems. Wissenschaftler am Korea Institute of Energy Research zogen mit Nickeloxid Lithiumionen aus der Lochtransportschicht und entfernten sie durch Filtration, wie pv magazine am 27. Oktober berichtete. Die beste Zelle erreichte 25,24% Wirkungsgrad und behielt nach 500 Stunden Dauerbetrieb mehr als 90% ihres Ausgangswirkungsgrads. Unter Dampf-Hitze-Test bei 85 C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit blieben 95% erhalten. Das Verfahren ermöglicht die Oxidation von spiro-OMeTAD in weniger als fünf Sekunden ohne das Additiv tBP, und die Leitfähigkeit der Lochtransportschicht stieg um den Faktor 2,5.

Die Wirkungsgrad-Lücke bleibt

Nicht jedes Ergebnis liegt im selben Bereich. Ein Bericht von Bioengineer.org vom 26. Oktober beschrieb eine Cäsium-Zinn-Iodid-Zelle, die nach einem modellgestützten Umbau 10,76% erreichte, gegenüber 8,98% bei einem nicht optimierten Gegenstück. Zinn-Perowskite vermeiden Blei, oxidieren aber an Luft, weshalb sie hinter ihren bleibasierten Konkurrenten zurückliegen.

Tandem-Bauteile aus reinem Perowskit sind weiter. Reale Bauteile dieser Klasse haben 30,1% erreicht, bei einem theoretischen Maximum von etwa 45%, wie Bioengineer.org am 30. Oktober berichtete.

Eine Simulationsstudie der Huazhong University of Science and Technology prognostizierte 31,13% für eine Tandemzelle mit gezahnten Front- und vergrabenen Grenzflächen, ein Plus von 3,41% gegenüber der flachen Referenz, wie Bioengineer.org am 30. Oktober berichtete. Simulationen sind keine Bauteile. In der Lücke zwischen beiden Zahlen steckt noch das Argument für die Kommerzialisierung.