Sonnenkollektoren, auch Photovoltaik genannt, verlassen sich auf Halbleiterbauelemente oder Solarzellen, um Energie von der Sonne in Elektrizität umzuwandeln.
Um Strom zu erzeugen, benötigen Solarzellen ein elektrisches Feld, um positive Ladungen von negativen Ladungen zu trennen. Um dieses Feld zu erhalten, dotieren die Hersteller die Solarzelle normalerweise mit Chemikalien, sodass eine Schicht des Geräts eine positive Ladung und eine andere Schicht eine negative Ladung trägt. Dieses mehrschichtige Design stellt sicher, dass Elektronen von der negativen Seite eines Geräts zur positiven Seite fließen – ein Schlüsselfaktor für die Stabilität und Leistung des Geräts. Aber auch chemische Dotierung und Schichtsynthese fügen zusätzliche kostspielige Schritte bei der Solarzellenherstellung hinzu.
Lichtmikroskopische Aufnahme von Nanodrähten mit einem Durchmesser von 100 bis 1.000 Nanometern, die aus Cäsiumgermaniumtribromid (CGB) auf einem Glimmersubstrat gezüchtet wurden. Die CGB-Nanodrähte sind Proben eines neuen bleifreien Halogenid-Perowskit-Solarmaterials, das auch ferroelektrisch ist. (Quelle: Peidong Yang und Ye Zhang/Berkeley Lab)
Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des DOE in Zusammenarbeit mit der UC Berkeley eine einzigartige Problemumgehung demonstriert, die einen einfacheren Ansatz für die Herstellung von Solarzellen bietet: Ein kristallines Solarmaterial mit eingebauter Elektrik Feld – eine Eigenschaft, die durch das ermöglicht wird, was Wissenschaftler „Ferroelektrizität“ nennen. Das Material wurde Anfang dieses Jahres in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Das neue ferroelektrische Material, das im Labor aus Cäsiumgermaniumtribromid (CsGeBr3 oder CGB) – öffnet die Tür zu einem einfacheren Ansatz zur Herstellung von Solarzellengeräten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarmaterialien sind CGB-Kristalle von Natur aus polarisiert, wobei eine Seite des Kristalls positive Ladungen aufbaut und die andere Seite negative Ladungen aufbaut, eine Dotierung ist nicht erforderlich.
CGB ist nicht nur ferroelektrisch, sondern auch ein bleifreier „Halogenid-Perowskit“, eine aufstrebende Klasse von Solarmaterialien, die Forscher wegen ihrer Erschwinglichkeit und einfachen Synthese im Vergleich zu Silizium fasziniert haben. Aber viele der leistungsstärksten Halogenid-Perowskite enthalten von Natur aus das Element Blei. Laut anderen Forschern, könnten Bleireste aus der Produktion und Entsorgung von Perowskit-Solarmaterial die Umwelt kontaminieren und Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Gesundheit aufwerfen. Aus diesen Gründen haben Forscher nach neuen Halogenid-Perowskit-Formulierungen gesucht, die auf Blei verzichten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Peidong Yang, leitender Wissenschaftler der Fakultät, Berkeley Lab, passt die Einstellungen an einer Sondenstation an, die die Konnektivität von Nanokabeln in seinem Labor in der Hildebrand Hall, UC Berkeley Campus, Berkeley, Kalifornien, 24.08.2022 testet. Yang leitete kürzlich ein Forschungsteam bei der Entwicklung eines bleifreien Perowskit-Solarmaterials mit eingebautem elektrischem Feld. Der Fortschritt bietet einen nachhaltigeren Ansatz für die Herstellung von Solarzellen. Yang ist leitender Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Chemie und Materialwissenschaft und -technik an UC Berkeley.
CGB könnte auch eine neue Generation von Schaltgeräten, Sensoren und superstabilen Speichergeräten vorantreiben, die auf Licht reagieren, sagte Co-Senior-Autor Ramamoorthy Ramesh, der Titel eines leitenden Fakultätswissenschaftlers in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften innehatte und Engineering an der UC Berkeley zum Zeitpunkt des Studiums und ist jetzt Vizepräsident für Forschung an der Rice University.
Perowskit-Solarfilme werden typischerweise mit kostengünstigen Lösungsbeschichtungsverfahren hergestellt, wie z. B. Schleuderbeschichtung oder Tintenstrahldruck. Und im Gegensatz zu Silizium, das eine Verarbeitungstemperatur von etwa 2.732 Grad Fahrenheit erfordert, um zu einem Solargerät verarbeitet zu werden, lassen sich Perowskite leicht von einer Lösung bei Raumtemperatur auf etwa 300 Grad Fahrenheit verarbeiten – und für Hersteller würden diese niedrigeren Verarbeitungstemperaturen die Energiekosten drastisch senken.
Aber trotz ihres potenziellen Aufschwungs für den Solarenergiesektor werden Perowskit-Solarmaterialien nicht marktreif sein, bis die Forscher die seit langem bestehenden Herausforderungen bei der Produktsynthese und -stabilität sowie der Materialnachhaltigkeit überwunden haben.
Den perfekten ferroelektrischen Perowskit festnageln
Perowskite kristallisieren aus drei verschiedenen Elementen; und jeder Perowskit-Kristall wird durch die chemische Formel ABX beschrieben3.
Die meisten Perowskit-Solarmaterialien sind nicht ferroelektrisch, weil ihre kristalline Atomstruktur symmetrisch ist, wie eine Schneeflocke. In den letzten Jahrzehnten waren Forscher für erneuerbare Energien wie Ramesh und Yang auf der Jagd nach exotischen Perowskiten mit ferroelektrischem Potenzial – insbesondere asymmetrischen Perowskiten.
Vor einigen Jahren fragte sich die Erstautorin Ye Zhang, die damals als Doktorandin an der UC Berkeley in Yangs Labor forschte, wie sie einen bleifreien ferroelektrischen Perowskit herstellen könnte. Sie stellte die Theorie auf, dass das Platzieren eines Germaniumatoms im Zentrum eines Perowskits seine Kristallinität gerade genug verzerren würde, um Ferroelektrizität zu erzeugen. Obendrein würde ein auf Germanium basierender Perowskit das Material von Blei befreien. (Zhang ist jetzt Postdoktorand an der Northwestern University.)
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von CGB-Nanodrähten mit einem Durchmesser von 100 bis 1.000 Nanometern, die mit einer Technik namens chemischer Dampftransport auf einem Siliziumsubstrat gewachsen sind. (Quelle: Peidong Yang und Ye Zhang/Berkeley Lab)
Aber obwohl Zhang sich auf Germanium konzentriert hatte, gab es immer noch Unsicherheiten. Schließlich ist das Herbeizaubern der besten bleifreien, ferroelektrischen Perowskit-Formel wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Es gibt tausend mögliche Formulierungen.
Also taten sich Yang, Zhang und ihr Team mit Sinéad Griffin zusammen, einem angestellten Wissenschaftler im Berkeley Lab Molekulare Gießerei und Abteilung Materialwissenschaften der sich auf das Design neuer Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen spezialisiert hat, darunter Quantencomputer und Mikroelektronik.
Mit Unterstützung der MaterialprojektGriffin verwendete Supercomputer an der Wissenschaftliches Rechenzentrum für nationale Energieforschung (NERSC) fortgeschrittene theoretische Berechnungen basierend auf einer Methode durchzuführen, die als Dichtefunktionaltheorie bekannt ist.
Durch diese Berechnungen, die atomare Strukturen und chemische Spezies als Eingaben verwenden und Eigenschaften wie die elektronische Struktur und Ferroelektrizität vorhersagen können, konzentrierten sich Griffin und ihr Team auf CGB, den einzigen vollständig anorganischen Perowskit, der alle Kästchen der Forscher bestätigte ferroelektrische Perowskit-Wunschliste: Ist es asymmetrisch? Ja, seine atomare Struktur sieht aus wie ein Rhomboeder, der krumme Cousin des Rechtecks. Ist es wirklich ein Perowskit? Ja, seine chemische Formel – CeGeBr3 – entspricht der verräterischen Struktur von ABX des Perowskits3.
Die Forscher stellten die Theorie auf, dass die asymmetrische Platzierung von Germanium in der Mitte des Kristalls ein Potential erzeugen würde, das wie ein elektrisches Feld positive Elektronen von negativen Elektronen trennt, um Strom zu erzeugen. Aber hatten sie recht?
Messung des ferroelektrischen Potentials von CGB
Um das herauszufinden, züchtete Zhang winzige Nanodrähte (100 bis 1.000 Nanometer Durchmesser) und Nanoplättchen (etwa 200 bis 600 Nanometer dick und 10 Mikrometer breit) aus einkristallinem CGB mit außergewöhnlicher Kontrolle und Präzision.
„Mein Labor versucht seit vielen Jahren herauszufinden, wie man Blei durch weniger giftige Materialien ersetzen kann“, sagte Yang. „Ihr habt eine erstaunliche Technik entwickelt, um einkristalline Germaniumhalogenid-Perowskite zu züchten – und es ist eine schöne Plattform für das Studium der Ferroelektrizität.“
Röntgenexperimente an der Erweiterte Lichtquelle enthüllte die asymmetrische Kristallstruktur von CGB, ein Signal für Ferroelektrizität. Elektronenmikroskopische Experimente unter der Leitung von Xiaoqing Pan an der UC Irvine deckten weitere Beweise für die Ferroelektrizität von CGB auf: eine „verschobene“ atomare Struktur, die durch das Germaniumzentrum versetzt ist.
In der Zwischenzeit zeigten elektrische Messexperimente, die im Labor von Ramesh von Zhang und Eric Parsonnet, einem Doktoranden und Co-Autor der Studie an der UC Berkeley, durchgeführt wurden, eine umschaltbare Polarität in CGB, die eine weitere Anforderung an Ferroelektrizität erfüllt.
Aber ein letztes Experiment – Photoleitfähigkeitsmessungen in Yangs Labor an der UC Berkeley – brachte ein entzückendes Ergebnis und eine Überraschung. Die Forscher fanden heraus, dass die Lichtabsorption von CGB abstimmbar ist – sie überspannt das Spektrum von sichtbarem bis ultraviolettem Licht (1,6 bis 3 Elektronenvolt), ein idealer Bereich, um eine hohe Energieumwandlungseffizienz in einer Solarzelle zu erreichen, sagte Yang. Eine solche Abstimmbarkeit sei bei herkömmlichen Ferroelektrika selten zu finden, bemerkte er.
Yang sagt, dass noch mehr Arbeit getan werden muss, bevor das CGB-Material sein Debüt in einem kommerziellen Solargerät geben kann, aber er ist von den bisherigen Ergebnissen begeistert. „Dieses ferroelektrische Perowskit-Material, das im Wesentlichen ein Salz ist, ist überraschend vielseitig“, sagte er. „Wir freuen uns darauf, sein wahres Potenzial in einem echten Photovoltaikgerät zu testen.“
Diese Forschung wurde vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) unterstützt.
Die Advanced Light Source, Molecular Foundry und NERSC sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Berkeley Lab.
Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden mit 14 Nobelpreisen ausgezeichnet.
Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energy.gov/science.
Mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Berkeley National Laboratory
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