Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Seit einem halben Jahrhundert suchen Wissenschaftler nach einem besseren Weg, die Energie der Sonne einzufangen. Während herkömmliche Solarzellen aus Silizium uns gut gedient haben, suchen Forscher ständig nach Materialien, die günstiger herzustellen, einfacher zu produzieren und in der Lage sind, Sonnenlicht effizienter in Elektrizität umzuwandeln. Eine vielversprechende Materialfamilie für diesen Zweck sind die sogenannten Perowskite. Dabei handelt es sich um Kristalle mit einer spezifischen, sich wiederholenden Struktur, die so abgestimmt werden kann, dass sie Licht sehr effektiv absorbieren. Die heute bekanntesten Perowskite enthalten jedoch Blei, ein giftiges Metall, das Gesundheitsrisiken und Umweltrisiken birgt, und sie zersetzen sich oft bei Kontakt mit Feuchtigkeit oder Hitze. Um dies zu lösen, erforschen Wissenschaftler eine andere Art von Perowskit, die aus Elementen besteht, die reichlich vorhanden und ungiftig sind, wobei sie speziell nach Verbindungen suchen, die Sauerstoff mit Schwefel mischen. Das Ziel ist es, ein Material zu finden, das stabil, sicher und in der Lage ist, genau das richtige Maß an Lichtabsorption zu besitzen, um die nächste Generation von Solarzellen anzutreiben.

In einer kürzlich durchgeführten Studie setzten sich Forscher der Autonomen Universität von Zacatecas in Mexiko zum Ziel, eines dieser neuen Materialien zu erzeugen und zu testen: einen Kristall namens Bariumtitanoxychosulfid. Sie begannen mit einem gewöhnlichen, stabilen Pulver namens Bariumtitanoxid und unterzogen dieses einer Hochtemperaturbehandlung in einem speziellen Ofen. Anstatt das Pulver nur zu erhitzen, führten sie einen Dampf aus Schwefelkohlenstoff ein, einer Chemikalie, die als Schwefelquelle dient. Indem sie die Mischung drei verschiedenen Temperaturen aussetzten – 600, 700 und 800 Grad Celsius –, versuchten sie, einige der Sauerstoffatome im Kristall durch Schwefelatome zu ersetzen. Die Forscher wollten sehen, wie die Änderung der Hitze die interne Struktur des Materials und seine Fähigkeit zur Lichtabsorption verändert, in der Hoffnung, das perfekte Gleichgewicht für Solarenergieanwendungen zu finden.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperatur der Schlüssel zur Kontrolle der Zusammensetzung des Materials war. Mit zunehmender Hitze wuchs der Anteil an Schwefel im fertigen Kristall signifikant an. Bei der niedrigsten Temperatur von 600 Grad Celsius enthielt das Material etwa 14,6 Prozent Schwefel nach Masse. Als die Temperatur auf 700 Grad erhöht wurde, stieg der Schwefelgehalt auf 18,2 Prozent, und bei der höchsten Temperatur von 800 Grad erreichte er 20,2 Prozent. Diese Verschiebung war nicht nur eine Frage des Hinzufügens von mehr Schwefel; sie veränderte grundlegend die Form des Kristalls selbst. Das Ausgangsmaterial hatte eine tetragonale Struktur, eine spezifische geometrische Anordnung von Atomen. Während mehr Schwefel den Sauerstoff ersetzte, wandelte sich der Kristall langsam in eine hexagonale Struktur um, eine andere geometrische Form, die für diese Art von Verbindung stabiler ist. Die Proben, die bei den höchsten Temperaturen behandelt wurden, waren am erfolgreichsten und zeigten eine saubere, gut geordnete hexagonale Struktur ohne Spuren der ursprünglichen Form.

Über die Änderung der Form hinaus verbesserte die Wärmebehandlung die Qualität der Kristalle. Die Forscher maßen die Größe der winzigen einzelnen Kristalle, bekannt als Kristallite, und fanden heraus, dass sie mit zunehmender Temperatur größer wurden. Die Probe, die bei 600 Grad hergestellt wurde, hatte kleinere, weniger organisierte Kristalle, während die bei 800 Grad hergestellte Probe größere, perfekter geformte Kristalle aufwies. Dies deutet darauf hin, dass höhere Hitze den Atomen hilft, sich ordentlicher anzuordnen, interne Spannungen zu reduzieren und ein stärkeres, gleichmäßigeres Material zu schaffen. Das Team analysierte auch die chemischen Bindungen innerhalb des Materials mithdem Lichttechniken und bestätigte, dass die Schwefel- und Sauerstoffatome erfolgreich in das Kristallgitter integriert wurden, wodurch die spezifischen molekularen Bindungen entstanden, die sie suchten.

Die kritischste Entdeckung betraf jedoch, wie das Material mit Licht interagiert. Damit eine Solarzelle effizient arbeitet, muss das Material, aus dem sie besteht, eine „Bandlücke“ besitzen, also die spezifische Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron zu lösen und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Wenn diese Lücke zu breit ist, verpasst das Material einen Großteil der Sonnenenergie; wenn sie zu schmal ist, wird Energie als Wärme verschwendet. Der ideale Bereich für Solarzellen liegt in einem engen Fenster zwischen 1,1 und 1,7 Elektronenvolt. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die einfache Erhöhung der Temperatur und des Schwefelgehalts diese Bandlücke präzise abstimmen konnten. Das bei 600 Grad hergestellte Material hatte eine Bandlücke von 1,53 Elektronenvolt. Als sie die Hitze auf 700 und dann auf 800 Grad erhöhten, verengte sich die Bandlücke auf 1,51 und schließlich auf 1,47 Elektronenvolt. Dieser letzte Wert liegt genau im optimalen Bereich für die Solarenergieumwandlung.

Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, ein neues, ungiftiges Solarmaterial durch die sorgfältige Kontrolle der Temperatur während der Synthese zu entwickeln. Die Forscher bewiesen, dass sie ein gewöhnliches Oxid in einen schwefelreichen Perowskit mit einer Kristallstruktur und Lichtabsorptionseigenschaften verwandeln konnten, die äußerst geeignet für Solarzellen sind. Obwohl das Material noch kein fertiges Produkt für die Fabrikhalle ist, bietet die Arbeit eine klare Roadmap dafür, wie man diese Kristalle herstellt. Indem sie zeigten, dass höhere Temperaturen zu mehr Schwefel, besserer Kristallordnung und einer perfekt abgestimmten Bandlücke für die Einfangung des Sonnenlichts führen, bietet die Studie einen lebensfähigen Weg für die Entwicklung der nächsten Generation sauberer, effizienter und sicherer Solartechnologie.