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Nanotechnisch

Darstellung von hocheffizienten perowskit-solarzellen mit einem park rasterkraftmikroskop

170110 Sibel Leblebici

Sibel Leblebici promovierte vor kurzem in Materialkunde und Ingenieurwissenschaft an der Universität von Kalifornien, Berkeley. Ihre Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung von neuen Werkstoffen für Solarzellen, sowie organische Halbleiter und Perowskit-Halid-Hybride. Sie arbeitet zur Zeit als Post-Doc in der Molecular Foundry am Lawrence Berkeley National Lab mit Fördergeldern vom Ministerium für Energie.


Solarzellen aus Verbindungen mit der Kristallstruktur des Minerals Perowskit lassen sich einfach und kostengünstig herstellen. Diese Solarzellen wandeln Photonen rascher in Strom als jedes andere heute verfügbare Material. Die Effizienz lag im Jahr 2009 bei nur 3 %. Dank neuer Erkenntnisse, die zur Maximierung der Effizienz führen, wird mittlerweile eine Effizienz von bis zu 31 % erwartet. Weitere Forschung ist notwendig, doch vielversprechende Ergebnisse lassen einen Anstieg der Effizienz von Perowskit-Solarzellen auf bis zu 31 % erwarten.

In unserer Forschung benutzen wir ein modernes Rasterkraftmikroskop von Park Systems, das leitende Spitzen verwendet, um die Materialoberfläche abzutasten. Diese Methode verhindert jegliche Reibung zwischen Sonde und Probe. Das ist besonders wichtig da unser Untersuchungsmaterial rau und zugleich weich ist, so dass jegliche Reibung die Sonde oder das Probenmaterial beschädigen würde und zu Artefakten des Photonenstroms führen würden.

Aus welchem Grund haben Sie Perowskit als Untersuchungsmaterial ausgewählt?

Ich habe mich für die Untersuchung von Halid-Perowskit-Hybriden für Solarzellen wegen der raschen Zunahme der Effizienz von 3 % im Jahr 2009 auf heutzutage über 22 % interessiert. Solch hohe Effizienz ist bemerkenswert für ein polykristallines Solarzellenmaterial, das als Lösung gehandhabt werden kann. Als ich mich vor Jahren für Perowskit-Verbindungen interessierte, war die Forschung auf Optimierung des Filmwachstums und die Anpassung des Energieniveaus der verschiedenen Schichten in der Solarzelle ausgerichtet. Es gab auch Untersuchungen zu den elektronischen Eigenschaften des Materials im Makrobereich. Ich habe den Schwerpunkt meiner Forschungsarbeit auf das Verständnis des Materials im Nanobereich gelegt, um die Limitierung der Effizienz zu verstehen.

Was haben Sie mit Hinsicht auf das breite Leistungsspektrum von Perowskit-Verbindungen herausgefunden und wie war es Ihnen möglich diese Ergebnisse zu erhalten?

Wir haben entdeckt, dass zwischen individuellen Perowskit-Clustern in einem polykristallinen Perowskit-Film in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit eine große Heterogenität besteht. Diese Heterogenität ist aspektabhängig. Diese Abhängigkeit stammt von einer wesentlich erhöhten Dichte von Oberflächen-Trap-States. Wir haben leitende Rasterkraftmikroskopie benutzt, um lokal den Lichtstrom und die Spannung des offenen Schaltkreises zu messen. Das sind zwei kritische Parameter für die Effizienz der Solarzelle. Um reproduzierbare Daten von der sehr rauen Perowskit-Oberfläche zu erhalten, arbeiteten wir im PinPoint Modus. In diesem Modus nähert sich die AFM Sonde der Oberfläche und erreicht eine gewisse Kraft zwischen der Sonde und der Probe, misst den Strom und bewegt die Sonde um ein Pixel. Der PinPoint Modus erlaubt uns, jegliche Artefakte,  die von einer rauen Oberfläche stammen, zu eliminieren.

Auf welche Weise könnte diese Entdeckung zu einer verbesserten Solarzelle führen?

Wir haben entdeckt, dass die Leistung einer Perowskit-Solarzelle sehr stark von dem exponierten Aspekt abhängt. Wenn man die polykristallinen Filme so herstellen könnte, dass nur die Hochleistungsfacetten mit der Elektrode interagieren, dann könnte man so die Effizienz der Solarzelle enorm steigern.

Können Sie uns sagen wie Sie mit Park Systems, dem Hersteller Ihres Rastermikroskops, zusammengearbeitet haben, um das perfekte Instrumente für Ihre Forschung zu liefern?

Wir haben mit Park Systems an der Verbesserung des PinPoint Modus zusammengearbeitet, so dass die  Performance für leitende Rasterkraftmikroskopie optimal war. Wir haben Park Systems in Santa Clara besucht und erklärt, was wir messen wollen und um die Features des Systems besser zu verstehen. Und umgekehrt, Ingenieure von Park Systems haben uns oft besucht und Verbesserungen vorgeschlagen. Wir haben insbesondere Vorschläge zur Verbesserung der Software im PinPoint Modus gemacht.

Welche Methoden haben Sie entwickelt und wie wurden sie eingesetzt? War dieses neuartige Rastermikroskop wichtig für Ihre Ergebnisse?

Ohne den verbesserten PinPoint Modus zur Messung des Stroms wären die Experimente wesentlich schwieriger gewesen und wir hätten jede Menge Artefakte in unseren Bildern gehabt. Dank des neuen Messverfahrens sind unsere Strommessungen viel besser zu reproduzieren.

Wie hoch ist die verbesserte Effizienz in den Hochleistungs-Perowskitfacetten und warum sind diese Facetten so viel besser beim Einfangen des Lichts?

Wir haben bis 10-fache Unterschiede im Photonenstrom und Spannungsunterschiede bis zu 0.6 V im offenen Kreislauf in ein und demselben Teilchen gemessen. Das bedeutet, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen könnte das theoretische Limit erreichen, wenn es uns gelingt, Filme zu synthetisieren bei denen nur die hocheffizienten Facetten mit der Elektrode in Kontakt stehen. Die hocheffizienten Facetten haben sehr wenige Defekte in der Oberfläche; das bedeutet höheren Kurzschlussstrom und erhöhte  Spannung im offenen Kreislauf.

Wie erfahren Wissenschaftler in der ganzen Welt von Ihren Erkenntnissen in der Molecular Foundry?

Die Molecular Foundry ist eine Nutzereinrichtung. Das bedeutet, Wissenschaftler aus der ganzen Welt können einen Vorschlag zur Benutzung unserer moderner Instrumente mit unserer Expertise einreichen. Wir habe ebenfalls Forschungsgruppen, die regelmäßig ihre Forschungsergebnisse veröffentlichen.

Arbeiten Sie an anderen Projekten oder möchten Sie in der Zukunft arbeiten?

Im Moment arbeiten an der Bestimmung der kristallografischen Orientierung von hoch- und niedereffizienten Facetten in Perowskit-Halid-Hybriden.

 

170110 celula solar de perovskita

Perowskit-Solarzellenprototyp. Diese Solarzellen wandeln Photonen rascher in Strom um, als jedes andere heute verfügbare Material. Die Effizienz stieg von 3 % in 2009 auf 31 % dank neuer Erkenntnisse, die zur Maximierung der Effizienz führten.

Sibel leblebici, mitglied eines wissenschaftlerteam am doe lawrence berkley national laboratory (berkley labor) berichtet im juli 2016 von perowskit-eigenschaften, die verborgen in den vertiefungen und erhebungen der kristalle liegen und die effizienz von solarzellen massiv erhöhen könnten. Das könnte zur solarstromeffizienz auf einem niveau wie nie zuvor führen.

„wir haben leitende rasterkraftmikroskopie benutzt, um lokal lichtstrom und die spannung des offenen schaltkreises zu messen. Das sind zwei kritische parameter für die effizienz der solarzelle. Um reproduzierbare daten von der sehr rauen perowskit-oberfläche zu erhalten, arbeiteten wir im pinpoint modus. In diesem modus nähert sich die afm sonde der oberfläche und erreicht eine gewisse kraft zwischen der sonde und der probe, misst den strom und bewegt die sonde um ein pixel.“

170112 Weber Bargioni group

Sibel Leblebici arbeitet in der Weber-Bargioni Gruppe, einem hoch interdisziplinären und kollaborativen Team in der Molecular Foundry. Sie ist darauf konzentriert, fundamentale optoelektronische Eigenschaften von Materialen zu untersuchen und Zusammenhänge zu erkennen, die die systematische Entwicklung von Werkstoffen für das Einfangen von Licht erlauben. Die obige Abbildung zeigt Sibel Leblebici und Dr. Weber-Bargioni bei der Arbeit am Park Rasterkraftmikroskop im Einsatz bei der Erforschung von Perowskit-Materialien für Solarzellen.

 

Molecular Foundry

Die Molecular Foundry ist eine Forschungsstätte im Nanobereich, gefördert vom Ministerium für Energie, für Wissenschaftler weltweit mit modernen Instrumenten und aktueller Expertise in einem kollaborativen, multi-disziplinären Rahmen.

170112 Alexander Weber Bargioni

Alexander Weber-Bargioni ist Leiter der optoelektronischen Forschungsgruppe an der Molecular Foundry am Lawrence Berkeley National Laboratory.

„Unser Ziel ist es, optoelektronische Prozesse mit neuen absorbierenden Materialien und Strukturen darzustellen, sie zu verstehen und schließlich zu kontrollieren. Im Moment sind wir dabei die optoelektronische Eigenschaften von anorganischen Halbleitern, Nanowiresystemen aus Metalloxiden, anorganischen Nanokristallen und organischen Halbleitern aus kleinen Molekülen zu charakterisieren.“

„Wir schätzen uns glücklich, ein Teil der Molecular Foundry, einem außergewöhnlich interdisziplinären und kollaborativen Forschungszentrum auf dem Gebiet der Nanowissenschaft, zu sein. Sechs komplementäre Abteilungen mit Physikern, Chemikern, Biologen und Ingenieuren unter einem Dach. Wir besitzen modernste Geräte zur Synthese und Herstellung von Nanoscale-Materialien, für ihre Charakterisierung und dem Erstellen von Modellen, die uns erlauben, ein komplettes Verständnis für die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nano-Bausteinen zu entwickeln.“

„Wir benutzen zu wenig FREIE Sonnenenergie. Das ist hilft uns und unserem Planeten nicht. Ich würde gerne fünf mal so viel für meine monatliche Stromrechnung ausgeben, wenn ich damit meinen Kindern einen sicheren Planeten hinterlassen könnte. Wir benutzen iPhones, die mehr leisten, als die Rechner in Apollo 11. Wir sollten wirklich Werkstoffe entwickeln, die freie Sonnenenergie kostengünstig in elektronische und chemische Energie umwandeln.“