Ein Team von Chemikern der Universität Kaunas Technologie (KTU), Litauen, hat ein neues Material für Perowskit-Solarzellen entwickelt. Nach der Polymerisation kann es als Lochtransportschicht sowohl in Solarzellen mit regulärer als auch invertierter Architektur verwendet werden; In beiden Fällen weisen die konstruierten Solarelemente eine bessere Leistungsumwandlungseffizienz und Betriebsstabilität auf.
Perowskit-Solarzellen (PSCs) haben aufgrund ihrer rasanten Leistungsumwandlung großes Interesse in der Photovoltaik-Community geweckt. Darüber hinaus können PSCs mithilfe eines kostengünstigen Produktionsverfahrens aus allgemein verfügbaren, reichlich vorhandenen Rohstoffen vergrößert werden. Diese Aspekte sind vielversprechend für PSCs als zukünftige Mainstream-Photovoltaiktechnologie.
Allerdings muss die Langzeitstabilität von Perowskit-Solargeräten unter praktischen Arbeitsbedingungen noch weiter verbessert werden, um den Marktanforderungen gerecht zu werden.
Ein neuartiges 9,9′-Spirobifluoren-Derivat mit thermisch vernetzbaren Vinylgruppen, das vom Chemikerteam der KTU in Litauen synthetisiert wurde, könnte zur Lösung einiger der oben genannten Herausforderungen beitragen. Nach der thermischen Vernetzung entstand ein glattes und lösungsmittelbeständiges dreidimensionales (3D) Polymernetzwerk, das als Lochtransportmaterial für den Aufbau von Perowskit-Solarzellen verwendet wurde.
„Die Copolymerisation findet bei einer relativ niedrigen Temperatur (103 °C) statt, was die Technologie sicher für den Einsatz beim Gießen einer Schicht auf Perowskit macht, das Temperaturen über 140 °C nicht standhält.“ Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt ist, dass der Polymerisationsprozess unglaublich schnell abläuft, was offenbar auf die spezifische räumliche Konfiguration des Monomers zurückzuführen ist“, sagt Šarunė Daškevičiūtė-Gegužienė, eine der Autoren der Erfindung, eine Doktorandin. Student an der KTU-Fakultät für Chemische Technologie.
Die resultierenden Geräte zeigten eine bessere Energieumwandlungseffizienz und vor allem Stabilität als herkömmliche Lochtransportmaterialien (PTAA oder Spiro-OMeTAD).
Kommerzialisierungsmöglichkeiten, zum Patent angemeldet
PSCs, geschichtete Solarzellen der neuen Generation, können zwei architektonische Strukturen haben – regelmäßig (nip) und invertiert (pin). Bei Letzterem werden die lochtransportierenden Materialien unter der Perowskit-Absorberschicht abgeschieden. Das in den KTU-Labors synthetisierte Monomer erzeugt problemlos lösungsmittelbeständige dreidimensionale (3D) Polymere, die in beiden Arten von Perowskit-Solarzellen verwendet werden können.
„Die Polymersynthese erfolgt durch Erhitzen der Monomerschichten für nur 15 Minuten, wodurch räumlich strukturierte unlösliche Polymermatrizen entstehen“, erklärt Professor Vytautas Getautis, leitender Forscher in der Forschungsgruppe „Synthese organischer Halbleiter“ an der KTU.
Bisher wurden die besten Leistungen von Perowskit-Solarzellen mit herkömmlicher Struktur (nip) mit dem gut untersuchten p-Typ erzielt Halbleiter Spiro-OMeTAD. Letzteres hat jedoch aufgrund seiner Löslichkeit keine Anwendung in Geräten mit umgekehrter Struktur (Stift) gefunden, da die beim Formen der Perowskitschicht verwendeten polaren Lösungsmittel die darunter liegende Lochtransportschicht auflösen.
Das in den KTU-Labors synthetisierte 9,9′-Spirobifluoren-Derivat ergibt eine vernetzte, gegenüber organischen Lösungsmitteln resistente Polymerschicht. Währenddessen schützt ein Copolymer des 9,9′-Spirobifluoren-Derivats mit einem Dithiol (z. B. 4,4′-Thiobisbenzolthiol), das beim Aufbau von (nip)-strukturierten Geräten auf der Perowskitschicht gebildet wird, diese vor äußeren unerwünschten Einflüssen wie z Feuchtigkeit.
Den Forschern zufolge verfügt das neuartige synthetisierte Material über ein hohes Kommerzialisierungspotenzial. Daher wurde die Patentanmeldung bei den Patentämtern der EU, der USA und Japans eingereicht.
Zusammenarbeit zwischen litauischen und japanischen Wissenschaftlern
Die Forscher betonen, dass die erzielten Ergebnisse das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen litauischen und japanischen Wissenschaftlern sind.
„Seit mehreren Jahren arbeitet unsere Forschungsgruppe mit der von Prof. Atsushi Wakamiya an der Universität Kyoto zusammen, die unter Perowskit-Solarzellenforschern nicht nur in Japan, sondern weltweit bekannt ist. Sie waren es, die Perowskit-Solarzellen unter Verwendung unserer synthetisierten organischen Halbleiter vom p-Typ entworfen und charakterisiert haben“, sagt Prof. Getautis.
Die elektrischen Eigenschaften dieser Halbleiter wurden vom langjährigen Partner der KTU-Chemiker, Prof. Vygintas Jankauskas von der Universität Vilnius, untersucht.
Die KTU-Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Getautis ist für zahlreiche Innovationen im Bereich Solartechnik verantwortlich. Darunter sind synthetisierte Verbindungen, die sich selbst zu einer moleküldünnen Schicht zusammenfügen, die als Lochtransportmaterial fungiert und zum Bau rekordverdächtiger Silikon-Perowskit-Tandemsolarzellen verwendet wurde.
Laut Prof. Getautis hat die Solarenergie von allen erneuerbaren Energien das größte Potenzial und wird am wenigsten genutzt. Dank der neuen Forschung entwickelt sich dieses Gebiet jedoch exponentiell. Schätzungen zufolge wird bis 2050 etwa die Hälfte des auf der Erde verbrauchten Stroms aus Sonnenenergie erzeugt.
„Solarenergie ist völlig grün – sie ist schadstofffrei und die installierten Solarparks erfordern nicht viel Wartung. Angesichts der aktuellen Ereignisse und der Energiekrise sind immer mehr Menschen daran interessiert, Solarkraftwerke in ihren Häusern zu installieren oder sich an einem Solarpark zu beteiligen. Es ist eine Zukunft der Energie“, sagt Prof. Getautis.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Applied Materials & Interfaces.