Neue Materialien für Solarzellen durch Laserverdampfen

10. Januar 2018, 10:05 Uhr
Die Vakuumkammer des RIR-MAPLE-Prozesses. Die gefrorene Lösung befindet sich in der (hellen) Vertiefung, über ihr hängt das zu beschichtende Objekt (Foto: Duke University/Stiff-Roberts/Mitzi).
Die Vakuumkammer des RIR-MAPLE-Prozesses. Die gefrorene Lösung befindet sich in der (hellen) Vertiefung, über ihr hängt das zu beschichtende Objekt (Foto: Duke University/Stiff-Roberts/Mitzi).
Forscher der Duke University/Pratt School of Engineering (USA) haben eine Methode entwickelt, um hybride Dünnschichtmaterialien herzustellen, die mit konventionellen Verfahren nicht oder kaum erzeugt werden können. Diese Methode kann die Tür zu einer neuen Generation von Solarzellen, LEDs und Photodetektoren öffnen.

Perowskite

Perowskite sind Mineralien mit der richtigen Kombination von Elementen, deren Kristallstruktur sie für Anwendungen mit Licht geeignet macht. Durch ihre lichtabsorbierenden und energieübertragenden Eigenschaften sind sie besonders interessant für die Entwicklung neuer Arten von Solarzellen.

Organische Elemente

Methylammonium-Bleiiodid (CH3NH3PbI3), eine Kombination aus einem organischen und einem anorganischen Molekül, ist der am häufigsten verwendete Perowskit für Solarzellen. Dieses Material kann genauso gut Licht in elektrische Energie umwandeln wie die besten kommerziell erhältlichen Solarmodule - aber mit viel weniger Material: Eine Scheibe, 100-mal dünner als eine typische Silizium-Solarzelle, ist ausreichend.
Methylammonium-Bleiiodid ist einer der wenigen Perowskite, die mit schon bekannten Produktionstechniken hergestellt werden können. Für andere Arten müssen neue Techniken entwickelt werden.

Laserverdampfen

Die Professoren Adrienne Stiff-Roberts und David Mitzi haben eine Technik namens RIR-MAPLE entwickelt: Resonant InfraRed Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation. Eine chemische Lösung, die die Bausteine des gewünschten Perowskits enthält, wird zu einem Block gefroren. Dann wird dieser Block in einer Vakuumkammer mit Laserimpulsen beschossen.
Wenn ein kleines Stück der gefrorenen Lösung durch den Laserbeschuss verdampft, steigt der Dampf nach oben und fällt auf der Unterseite eines Gegenstandes aus, der über der gefrorenen Lösung schwebt. Sobald genug Material niedergeschlagen ist, wird das Objekt erhitzt und die ausgefällten Moleküle kristallisieren.

Zugeschnittener Laser

Da organische Materialien wie Methylammonium besonders empfindlich sind, muss die Frequenz des Lasers auf die Molekülbindungen des Lösungsmittels abgestimmt sein. Dann absorbiert die Lösung den größten Teil der Laserenergie, so dass sich die kritischen organischen Materialien auf der Objektoberfläche festsetzen können.

Quelle: Duke University
 
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