Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

Sonnenlicht ist ein gewaltiger, ungleichmäßiger Fluss aus Energie, der Farben enthält, die von dem Violett, das wir sehen können, bis zum unsichtbaren Infrarot reichen, das unsere Haut erwärmt. Jahrzehntelang war der effizienteste Weg, diese Energie einzufangen, die Verwendung eines einzelnen Materials, wie etwa Silizium, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Aber ein einzelnes Material wirkt wie ein Sieb mit Löchern einer festen Größe; es fängt einige Farben gut ein, lässt aber andere einfach hindurchgleiten und verschwendet deren Energie als Wärme. Um mehr von diesem Fluss einzufangen, haben Wissenschaftler begonnen, verschiedene Materialien übereinander zu stapeln und so „Tandem“-Solarzellen zu erschaffen. Jede Schicht ist darauf abgestimmt, ein anderes Stück des Sonnenspektrums einzufangen, wobei sie zusammenarbeiten, um weit mehr Energie zu ernten, als eine einzelne Schicht jemals könnte. Die Herausforderung bestand bisher darin, die richtigen Materialien für die untere Schicht zu finden, die dünn, flexibel und in der Lage sein muss, die langen, unsichtbaren Infrarotwellen einzufangen, ohne zu degradieren.

Ein Team von Forschern der Universität Oxford und ihren Kooperationspartnern hat nun ein neues Material identifiziert, das dieses Problem lösen könnte und einen Weg zu Solarzellen eröffnet, die nicht nur effizienter, sondern auch billiger und stabiler in der Herstellung sind. Sie konzentrierten sich auf eine Verbindung namens Silberbismutsulfid, ein Material, das in einlagigen Solarzellen bereits vielversprechend gezeigt hatte, aber noch nie erfolgreich als untere Schicht in einer gestapelten Tandem-Vorrichtung eingesetzt wurde. Die Forscher entdeckten, dass dieses Material einen natürlichen Vorteil besitzt: Es kann Infrarotlicht effektiver absorbieren als der derzeit führende Kandidat, eine Mischung aus Blei und Zinn, und es baut sich bei Kontakt mit Luft nicht ab. Durch die Entwicklung einer neuen Methode, um dicke Schichten dieses Materials aufzutragen, demonstrierten sie die ersten funktionierenden Tandem-Solarzellen unter Verwendung von Silberbismutsulfid und bewiesen damit, dass es mit anderen Schichten kombiniert werden kann, um eine hocheffiziente, stabile und skalierbare Energiequelle zu schaffen.

Die Reise zu dieser Entdeckung begann mit einer einfachen Frage der Physik. In einer Tandem-Solarzelle muss die untere Schicht einen spezifischen „Bandlücke“ besitzen, einen Begriff, der die minimale Energiemenge beschreibt, die ein Material benötigt, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Wenn die Bandlücke zu hoch ist, ignoriert das Material das niederenergetische Infrarotlicht; wenn sie zu niedrig ist, verschwendet es die Energie des hochenergetischen Lichts. Die ideale Bandlücke für die untere Schicht einer zweischichtigen Solarzelle liegt knapp unter einem Elektronenvolt, und für eine dreischichtige Zelle ist sie sogar noch niedriger. Der aktuelle Standard für die untere Schicht in fortschrittlichen Solarzellen ist eine Mischung aus Blei und Zinn. Während diese Mischung so abgestimmt werden kann, dass sie Infrarotlicht absorbiert, ist ihre Bandlücke immer noch etwas zu hoch, um perfekt zu sein, und die Zinn-Komponente ist chemisch instabil, da sie dazu neigt, mit Sauerstoff zu reagieren und die Zelle zu ruinieren, sofern sie nicht in einer perfekt versiegelten, sauerstofffreien Umgebung hergestellt wird.

Die Forscher richteten ihre Aufmerksamkeit auf Silberbismutsulfid. Dieses Material besitzt von Natur aus eine Bandlücke von etwa einem Elektronenvolt, was dem idealen Wert für eine untere Schicht viel näher kommt als die Blei-Zinn-Mischung. Es besteht zudem aus Elementen, die reichlich vorhanden und ungiftig sind, und im Gegensatz zur Blei-Zinn-Mischung ist es in normaler Luft stabil. Es gab jedoch eine erhebliche Hürde. In früheren Experimenten funktionierte Silberbismutsulfid am besten nur, wenn es in extrem dünnen Schichten von nur wenigen Dutzend Nanometern Dicke hergestellt wurde. Dies lag daran, dass das Material eine kurze „Diffusionslänge“ hat, was bedeutet, dass ein Teilchen der Ladung, das durch Licht erzeugt wurde, nicht sehr weit reisen kann, bevor es verloren geht. Damit eine Solarzelle gut funktioniert, insbesondere wenn sie darauf ausgelegt ist, Infrarotlicht einzufangen, muss die Schicht viel dicker sein, etwa einhundert Nanometer oder mehr, um genügend des Lichts zu absorbieren. Wenn die Schicht zu dick ist, werden die Ladungen gefangen und der Stromfluss stoppt.

Um dies zu überwinden, entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Herstellung des Materials. Anstatt die Schicht Schicht für Schicht in einem langsamen, mühsamen Prozess aufzubauen, erzeugten sie eine flüssige Tinte, die winzige Kristalle aus Silberbismutsulfid enthielt. Dann behandelten sie diese Kristalle mit einer Mischung aus chemischen Agenzien, speziell Bromid und Iodid, um deren Oberflächen zu reinigen und zu schützen. Diese Behandlung, bekannt als lösungsphasenbasierter Ligandenaustausch, ermöglichte es den Kristallen, eng aneinander zu haften und Elektrizität viel besser zu leiten. Das Ergebnis war eine Schicht, die in einem einzigen Schritt aufgetragen werden konnte, genau wie das Verstreichen von Farbe, und die als 340 Nanometer dick hergestellt werden konnte, ohne zu reißen oder die Fähigkeit zu verlieren, Elektrizität zu leiten. Dies war ein entscheidender Durchbruch, da es bedeutete, dass das Material endlich dick genug sein konnte, um das Infrarotlicht einzufangen, für das es konzipiert wurde.

Mit dieser neuen, dicken Schicht in der Hand baute das Team die ersten Tandem-Solarzellen unter Verwendung von Silberbismutsulfid. Sie erstellten zwei Arten von Geräten. Das erste war ein „Vier-Terminal“-Tandem, bei dem zwei separate Solarzellen übereinander platziert wurden, aber unabhängig voneinander arbeiteten, wie zwei separate Batterien, die in einem Schaltkreis verbunden sind. Sie kombinierten eine Silberbismutsulfid-Unterschicht mit einer Deckschicht aus einem anderen Material namens Perowskit. Die Kombination ergab einen Wirkungsgrad von nahezu 24 Prozent, ein starkes Ergebnis, das bewies, dass die beiden Materialien effektiv zusammenarbeiten können. Der zweite Typ war ein „monolithisches“ oder „Zwei-Terminal“-Tandem, bei dem die Schichten zu einer einzigen, soliden Einheit verschmolzen wurden, die wie eine einzige Batterie fungiert. Dies war eine viel schwierigere technische Herausforderung, die eine spezielle transparente Schicht zwischen den beiden Zellen erforderte, um den Stromfluss zwischen ihnen zu ermöglichen, ohne einen Kurzschluss zu verursachen. Trotz der Komplexität gelang es dem Team, diese Geräte erfolgreich zu bauen, wobei sie zeigten, dass sich die Spannungen der beiden Schichten korrekt addieren, was eine Grundvoraussetzung für eine funktionierende Tandem-Solarzelle ist.

Die Simulationen, die die Forscher vor dem Bau der Geräte durchführten, legten nahe, dass Silberbismutsulfid den theoretischen Wirkungsgrad von Dreischicht-Solarzellen auf nahezu 48 Prozent heben könnte, was weit über dem Limit von 36 Prozent der aktuellen Blei-Zinn-Technologie liegt. Obwohl die von ihnen gebauten Geräte diesen theoretischen Gipfel noch nicht erreicht hatten, bestätigten die experimentellen Ergebnisse, dass das Material funktioniert und dass die neue Methode seiner Herstellung praktikabel ist. Das Team testete auch die Stabilität ihrer neuen Zellen. Sie ließen unversiegelte Geräte drei Monate lang in trockener Luft in einem Regal stehen. Während ein ähnliches Gerät aus der Blei-Zinn-M Mischung innerhalb von nur anderthalb Tagen den Großteil seiner Leistung verloren hätte, behielten die Silberbismutsulfid-Zellen mehr als 90 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz bei. Diese Beständigkeit deutet darauf hin, dass zukünftige Solarpaneele aus diesem Material in regulären Fabriken hergestellt werden könnten, ohne dass teure, sauerstofffreie Räume erforderlich sind, was potenziell die Kosten der Solarenergie senken könnte.

Die Forscher untersuchten auch, wie einfach die Herstellung dieser Schichten in großem Maßstab wäre. Sie verglichen ihre neue Methode mit einem einzigen Schritt mit der alten, mehrstufigen Methode und fanden heraus, dass der neue Ansatz signifikant schneller und kostengünstiger war. Sie skalierten ihren Prozess erfolgreich von winzigen Laborproben auf größere Paneele hoch und zeigten, dass die Schicht auch bei der Herstellung auf einer Oberfläche in der Größe einer kleinen Fliese gleichmäßig und frei von Defekten blieb. Diese Skalierbarkeit ist entscheidend, um von einer Laborkuriosität zu einem Produkt zu gelangen, das auf Dächern verwendet oder in Gebäude integriert werden kann.

Die Arbeit bedeutet nicht, dass das Problem vollständig gelöst ist. Die Forscher stellten fest, dass die Ladungen in dem Silberbismutsulfid selbst mit ihren Verbesserungen immer noch relativ schnell eingefangen werden, was die Dicke der Schicht und die Menge des erzeugten Stroms begrenzt. Sie identifizierten, dass der nächste Schritt darin besteht, Wege zu finden, das Material noch leitfähiger zu machen, vielleicht durch eine Änderung der Anordnung der Kristalle, damit die Ladungen noch weiter reisen können. Dennoch hat die Studie einen klaren neuen Weg eröffnet. Indem sie bewiesen haben, dass Silberbismutsulfid zu dicken, stabilen und effizienten Schichten verarbeitet werden kann, und indem sie den Erfolg in den ersten Tandem-Solarzellen demonstrierten, haben die Forscher die Tür zu einer neuen Generation der Solartechnologie aufgestoßen, die effizienter, stabiler und potenziell viel günstiger in der Produktion ist als das, was heute existiert.