Wachmacher-Molekül verbessert Wirkungsgrad und Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen Koffein macht Solarzellen fitter - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wachmacher-Molekül verbessert Wirkungsgrad und Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen

Koffein macht Solarzellen fitter

Koffein-Solarzelle
Diese Perowskit-Solarzelle enthält Koffein – das macht sie leistungsföhiger und hitzestabiler. © Rui Wang und Jingjing Xue

Wachmacher „pimpt“ Solarzellen: Der Zusatz von Koffein kann Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit haltbarer und leistungsfähiger machen. Setzt man dem Perowskit bei der Herstellung der Dünnfilme ein Prozent Koffein zu, verbessert dies die Kristallstruktur und das elektrochemische Verhalten, wie Experimente belegen. Die Koffein-Solarzellen erreichen dadurch einen Wirkungsgrad von gut 20 Prozent und bleiben selbst bei 85 Grad stabil.

Solarzellen aus Perowskit gelten als vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Denn sie erreichen bereits ähnliche Wirkungsgrade wie Silizium-Zellen, sind aber kostengünstiger und einfacher herstellbar. Denn die kristallinen Dünnfilme dieses Minerals können durch Aufdampfen oder Abscheiden aus Lösung produziert werden. Das Problem jedoch: Perowskit ist relativ instabil und zersetzt sich unter Einfluss von Hitze, Feuchtigkeit oder zu viel UV-Licht sehr schnell.

Koffein
Das Koffein-Molekül trägt zwei Carboxylgruppen, über die es mit dem Perowskit interagiert. © Yoshi231 / CC-by-sa 4.0

Idee kam beim Kaffeetrinken

„Eine einfache, kostengünstige und allgemein einsetzbare Strategie, die die intrinsische thermische Instabilität von Perowskit-Solarzellen mindert, wird daher dringend gebraucht“, erklären Rui Wang von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen. Die meisten bisherigen Ansätze versuchen dies durch spezielle Beschichtungen oder Zellarchitekturen zu erreichen.

Doch Wang und sein Team haben jetzt eine andere, auf den ersten Blick ungewöhnliche Lösung gefunden. Die Idee dazu kam ihnen spontan – beim Kaffeetrinken, wie Wangs Kollege Jingjing Hue erzählt: „Eines Tages, als wir die Perowskit-Solarzellen diskutierten, sagte Rui Wang: ‚Wenn wir Kaffee trinken, um unsere Energie zu steigern – warum nicht auch die Perowskite? Könnten sie vielleicht auch mit Koffein besser laufen?“

Koffein verbessert Kristallstruktur

Was skurril klingt, ist chemisch betrachtet keineswegs abwegig. Denn das Koffeinmolekül trägt zwei Carboxylgruppen – durch Doppelbindungen mit Kohlenstoff verknüpfte Sauerstoffatome. Von solchen Gruppen ist bekannt, dass sie mit dem Perowskit wechselwirken können und dabei durchaus positive Effekte entfalten. Theoretisch könnte dies daher auch für das Koffein gelten – aber ausprobiert hatte dies bisher noch niemand. Das haben Wang und sein Team nun nachgeholt.

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Bei der Herstellung der Perowskitschicht setzten sie der Ausgangs-Lösung ein bis zwei Gewichtsprozent an Koffein zu. Dann unterzogen sie den fertigen Dünnfilm verschiedenen spektroskopischen und mikroskopischen Analysen. Und tatsächlich: Der Koffeinzusatz hatte sich positiv ausgewirkt. Die Perowskitkristalle waren größer und geordneter. „Der Einbau des Koffeins förderte das Wachstum der Perowskit-Körner in der Schichtebene, was den Ladungstransport verbessern kann“, berichten die Forscher.

Höherer Wirkungsgrad und Hitzestabilität

Doch würde diese optimierte Kristallstruktur die fertigen Solarzellen stabiler und leistungsfähiger machen? Dafür kombinierten die Forscher den Perowskit-Dünnfilm mit Indiumzinnoxid (ITO) und weiteren Komponenten zu Photovoltaik-Zellen und testeten deren Leistung und Stabilität gegenüber Hitze.

Das Ergebnis: Der Koffein-Zusatz mindert die Leistung der Solarzellen keineswegs – im Gegenteil. Im Test lag der Wirkungsgrad der Koffein-Zellen bei 20,25 Prozent – das war mehr als bei Vergleichs-Zellen ohne Koffein und etwa genauso viel wie bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen, wie die Forscher berichten. „Von diesen Ergebnissen waren wir selbst überrascht“, sagt Wang.

Und auch die Hitze-Stabilität besserte sich messbar: Die Koffein-Solarzelle behielt selbst nach 1.300 Stunden bei 85 Grad Celsius noch 86 Prozent ihres Wirkungsgrads, wie Tests ergaben. Kontroll-Solarzellen ohne Koffein zeigten dagegen schon nach 175 Stunden einen Leistungsabfall auf nur noch 60 Prozent. Die Forscher führen diesen Effekt auf die stabilisierende Wirkung der an das Perowskit gebundenen Carboxylgruppen des Koffeins zurück. „Die Interaktion mit dem C=O des Koffeins wirkt wie ein molekulares Schloss, das die thermisch induzierte Dekomposition verhindert“, erklären sie.

Gute Aussichten für die Zukunft

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der Zusatz von Koffein dazu beitragen, Perowskit-Solarzellen marktreif zu machen. „Koffein kann dem Perowskit zu hoher Kristallinität, wenigen Defekten und einer guten Stabilität verhelfen“, sagt Wang. Zudem erleichtere der Koffeinzusatz die Herstellung der Perowskitfilme. „Das bedeutet, dass das Koffein auch hilfreich bei der Produktion von Perowskit-Solarzellen in großem Maßstab sein könnte“, so der Forscher. (Joule, 2019; doi: 10.1016/j.joule.2019.04.005)

Quelle: Cell Press

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