Ein internationales Team hat gemeinsam mit Forschenden von DESY wichtige Erkenntnisse über winzige Strukturen gewonnen, die die Solarenergie auf ein neues Level bringen könnten. In Bleihalogenid-Perowskiten wurden diese dynamischen Nanodomänen – also sich verändernde Bereiche im Nanometerbereich – gefunden, die die entscheidende Fähigkeit besitzen, die Effizienz und Stabilität von Solarzellen zu steigern. Bleihalogenid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien für die nächste Generation von Solarzellen.
Schlüssel für Solarzellen der nächsten Generation
Dynamische Nanodomänen beeinflussen maßgeblich, wie Elektronen durch Licht aktiviert und durch das Material transportiert werden. Dies konnte das Team um Milos Dubajic und Sam Stranks von der University of Cambridge in Zusammenarbeit mit einem internationalen Netzwerk nun zeigen. Wichtige Beiträge kamen vom Imperial College London, der UNSW Sydney, der Colorado State University, ANSTO Sydney und DESY sowie von Synchrotron-Einrichtungen in Australien und Großbritannien. Bisher waren die Eigenschaften dieser dynamischen Nanodomänen nicht vollständig verstanden. „Durch das Verständnis der dynamischen Natur dieser Nanodomänen können wir möglicherweise ihr Verhalten kontrollieren, um die Leistung von Solarzellen und anderen optoelektronischen Geräten zu verbessern“, erklärt Dubajic. „Dies könnte dabei helfen, die Grenzen der Energieumwandlungseffizienz zu erweitern.“
Ein wichtiger Baustein dieser Arbeit ist der detaillierte Einblick in die atomare Anordnung der Nanomaterialien, der an der Beamline P21.1 der hochbrillanten Röntgenlichtquelle PETRA III von DESY möglich wurde. „PETRA III ist besonders leistungsstark für die Analyse von Nanostrukturen”, sagt Martin von Zimmermann, verantwortlicher Wissenschaftler an P21.1 und Co-Autor des Artikels. „Wir stellen hochenergetische Röntgenstrahlen und große Einzelphotonen-Zähldetektoren zur Verfügung. Das sind die optimalen Bedingungen, um die lokale atomare Struktur und Unordnung durch die sogenannte 3D-ΔPDF-Darstellung – eine Methode zur dreidimensionalen Analyse von Strukturdefekten – präzise zu kartieren.“ Diese leistungsstarke Methode hat sich im vergangenen Jahrzehnt durch den Einsatz der neuesten technologischen Fortschritte entwickelt. „3D-ΔPDF ist eine bahnbrechende Methode, um komplexe nanoskalige Phänomene wie in diesen Bleihalogenid-Perowskiten zu beurteilen”, sagt von Zimmermann.
Sam Stranks von der University of Cambridge ergänzt: „Diese Forschung bringt uns dem Verständnis der komplizierten Nanoskala dieser Materialien näher.“ Weiter meint Stranks: „Wenn wir die Geheimnisse der kleinen, sich ständig verändernden Nanobereiche in diesen Materialien besser verstehen, können wir die Entwicklung von Solarmodulen auf Perowskit-Basis schneller vorantreiben. Das könnte dazu beitragen, diese Technologie zu einer praktischen und zuverlässigen Lösung für den weltweiten Ausbau erneuerbarer Energien zu machen.“
Die Studie baut auf früheren Arbeiten der Gruppe auf, die sich mit der Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Energielösungen beschäftigen. Indem das Team besser versteht, wie Materialien, wie Bleihalogenid-Perowskite funktionieren, möchte es globale Herausforderungen im Bereich der erneuerbaren Energien angehen. Besonders im Fokus steht dabei die Verbesserung der Solarenergie.
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