Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) untersuchen Metallhalogenid-Perowskite, die in Kombination mit 3D-Druck neuartige Hochleistungs-Solarbatterien ermöglichen sollen. Wir stellen die Forschungsarbeit einmal genauer vor.

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Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) untersuchen Metallhalogenid-Perowskite, die in Kombination mit 3D-Druck eine neue Generation von Hochleistungs-Solarbatterien ermöglichen könnten. Metallhalogenid-Perowskit-Materialien haben in den letzten zehn Jahren an Bedeutung gewonnen, da sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln können. Dieser Prozess ist als photovoltaische Umwandlung bekannt. Sie nutzten die fortschrittliche Ausrüstung am Zentrum für Nanophasen-Materialwissenschaften (CNMS) des ORNL, um die Struktur von Metallhalogenid-Perowskiten zu untersuchen. Dabei konzentrierten sie sich darauf, wie diese Struktur mit Phänomenen wie Ionen in Bewegung interagiert, um tatsächlich elektrische Energie aus Licht zu erzeugen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit fassten sie im Artikel mit dem Titel „Ferroic Halide Perovskite Optoelectronics“ zusammen.

Details zur Arbeit

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Arbeit für ein effizienteres Design und robustere Solarzellenbatterien und anderer Photovoltaikgeräte sorgen könnte.

Yongtao Liu, Hauptautor der Studie, sagte:

„Diese Materialien wurden größtenteils unter statischen Bedingungen untersucht. Wir haben die Materialien in Echtzeit untersucht, um Variablen wie die Bewegung der Ionen zu verstehen. Sonst bekommt man kein vollständiges Bild. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass diese Ionenmigrationsmuster der Schlüssel zur Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und zur Stabilität der Solarzellen sind.“

Illustration der Gitterverzerrung, Dehnung und Ionenverteilung in Metallhalogenid-Perowskiten
Forscher untersuchen Metallhalogenid-Perowskite am ORNL (im Bild: Illustration aus der Arbeit der Forscher) (Bild © ORNL).

Metallhalogenid-Perowskite sind eine Art kristalliner Metalle, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, aus Lichtenergie elektrische Energie zu erzeugen. Laut Olga Ovchinnikova, einer Co-Autorin der Studie, haben Standard-Solarzellen auf Basis von multikristallinem Silizium in den letzten 40 Jahren nur einen Spitzen-Umwandlungswirkungsgrad von etwa 23 % erreicht. Metallhalogenid-Perowskite haben jedoch allein in den letzten zehn Jahren bereits höhere Umwandlungseffizienzen gezeigt. Sie fangen nicht nur Licht effizienter ein, sondern sind auch leichter, flexibler und kostengünstiger als Silizium. Sie können leicht zu dünnen Filmen verarbeitet werden, die auf praktisch jede Oberfläche geklebt werden können. Ovchinnikova geht davon aus, dass Perowskite mit 3D-Druck verarbeitet werden können, um funktionale solarbetriebene Geräte herzustellen.

Sie sagte:

„Wir können den 3D-Druck verwenden, um Wearables herzustellen, sie auf Autos anzubringen und die Verwendung von Perowskit-Solarzellen wirklich zu demokratisieren. Du könntest sie überall hinstellen.“

Perowskite verlieren jedoch rascher als Silizium ihre Effizienz. Um sie haltbarer zu machen, will das ORNL-Team die Eigenschaften besser verstehen lernen, die ihre außergewöhnliche Leistung überhaupt erst ermöglichen. Neue Methoden sollen alles von den chemischen Eigenschaften bis hin zu den physikalischen Eigenschaften der Materialien charakterisieren.

Ovchinnikova erklärt:

„Wir haben ein neuartiges Instrument verwendet, das Massenspektrometer und Rastersondenmikroskop in einem System vereint. Wir haben auch einen Ansatz für dieses System entwickelt, der es uns ermöglicht, die Bewegung der Ionen zu sehen, während das Material in Echtzeit mit Licht interagiert, und haben neue Methoden des maschinellen Lernens integriert, um die erfassten Daten zu verarbeiten und dieses Verhalten zu simulieren.“

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