Einsatz von Seltenerdelementen zur Überwindung der Einschränkungen von Solarzellen
Perowskit-Solarzellen bieten Vorteile gegenüber der aktuellen Solarzellentechnologie. Sie sind potenziell effizienter, leichter und kostengünstiger als andere Varianten. Bei einer Perowskit-Solarzelle befindet sich die Perowskitschicht zwischen einer transparenten Elektrode auf der Vorderseite und einer reflektierenden Elektrode auf der Rückseite der Zelle. Zwischen den Kathoden- und Anodenschnittstellen werden Elektrodentransport- und Lochtransportschichten eingefügt, was die Ladungssammlung an den Elektroden erleichtert. Basierend auf der Morphologiestruktur und der Schichtfolge der Ladungstransportschicht gibt es vier Klassifizierungen von Perowskit-Solarzellen: reguläre planare, invertierte planare, reguläre mesoporöse und invertierte mesoporöse Strukturen. Die Technologie weist jedoch einige Nachteile auf. Licht, Feuchtigkeit und Sauerstoff können zu ihrer Degradation führen, ihre Absorption kann fehlerhaft sein und es treten Probleme mit der nicht-radiativen Ladungsrekombination auf. Perowskite können durch flüssige Elektrolyte korrodieren, was zu Stabilitätsproblemen führt. Um ihre praktische Anwendung zu ermöglichen, müssen ihre Effizienz und Betriebsstabilität verbessert werden. Jüngste technologische Fortschritte haben jedoch zu Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 25,5 % geführt, was bedeutet, dass sie herkömmlichen Silizium-Photovoltaik-Solarzellen nicht weit hinterherhinken. Zu diesem Zweck wurden Seltenerdelemente für die Anwendung in Perowskit-Solarzellen untersucht. Ihre photophysikalischen Eigenschaften überwinden die Probleme. Ihr Einsatz in Perowskit-Solarzellen wird deren Eigenschaften verbessern und sie für den großflächigen Einsatz in sauberen Energielösungen praktikabler machen. Wie Seltene Erden Perowskit-Solarzellen unterstützen Seltene Erden besitzen zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften, die die Funktion dieser neuen Solarzellengeneration verbessern können. So sind die Oxidations- und Reduktionspotentiale von Seltenerdionen reversibel, wodurch die Oxidation und Reduktion des Zielmaterials reduziert wird. Zudem lässt sich die Dünnschichtbildung durch die Zugabe dieser Elemente regulieren, indem sie mit Perowskiten und ladungstransportierenden Metalloxiden gekoppelt werden. Darüber hinaus können Phasenstruktur und optoelektronische Eigenschaften durch substituierende Einbettung in das Kristallgitter eingestellt werden. Eine Defektpassivierung kann erfolgreich erreicht werden, indem die Defekte entweder interstitiell an den Korngrenzen oder auf der Materialoberfläche in das Zielmaterial eingebettet werden. Darüber hinaus können Infrarot- und Ultraviolettphotonen aufgrund der Anwesenheit zahlreicher energetischer Übergangsbahnen in den Seltenerdionen in auf Perowskit reagierendes sichtbares Licht umgewandelt werden. Dies hat zwei Vorteile: Es verhindert, dass die Perowskite durch intensives Licht beschädigt werden, und erweitert den spektralen Empfindlichkeitsbereich des Materials. Durch den Einsatz von Seltenen Erden werden Stabilität und Effizienz von Perowskit-Solarzellen deutlich verbessert. Modifizierung der Morphologie dünner Filme Wie bereits erwähnt, können Seltenerdelemente die Morphologie dünner Schichten aus Metalloxiden verändern. Es ist gut dokumentiert, dass die Morphologie der darunterliegenden Ladungstransportschicht die Morphologie der Perowskitschicht und ihren Kontakt mit der Ladungstransportschicht beeinflusst. So verhindert beispielsweise die Dotierung mit Seltenerdionen die Aggregation von SnO₂-Nanopartikeln, die Strukturdefekte verursachen kann, und verringert zudem die Bildung großer NiO₂-Kristalle, wodurch eine gleichmäßige und kompakte Kristallschicht entsteht. So lassen sich durch die Dotierung mit Seltenen Erden Dünnschichtfilme dieser Substanzen ohne Defekte erzielen. Darüber hinaus spielt die Gerüstschicht in Perowskitzellen mit mesoporöser Struktur eine wichtige Rolle für die Kontakte zwischen Perowskit und Ladungstransportschichten in den Solarzellen. Die Nanopartikel in diesen Strukturen können morphologische Defekte und zahlreiche Korngrenzen aufweisen. Dies führt zu einer nachteiligen und schwerwiegenden nicht-radiativen Ladungsrekombination. Auch die Porenfüllung ist ein Problem. Die Dotierung mit Seltenerdionen reguliert das Gerüstwachstum und reduziert Defekte, wodurch ausgerichtete und gleichmäßige Nanostrukturen entstehen. Durch Verbesserungen der morphologischen Struktur von Perowskit- und Ladungstransportschichten können Seltenerdionen die Gesamtleistung und Stabilität von Perowskit-Solarzellen verbessern und sie so für groß angelegte kommerzielle Anwendungen besser geeignet machen. Die Bedeutung von Perowskit-Solarzellen kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Sie bieten eine höhere Energieerzeugungskapazität zu deutlich geringeren Kosten als derzeit auf dem Markt erhältliche Silizium-Solarzellen. Die Studie hat gezeigt, dass die Dotierung von Perowskit mit Seltenerdionen dessen Eigenschaften verbessert und so zu höheren Wirkungsgraden und höherer Stabilität führt. Damit sind Perowskit-Solarzellen mit verbesserter Leistung der Realität einen Schritt näher gekommen.
Beitragszeit: 04.07.2022 