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Jul 13, 2023

Der NSF CAREER Awardee bringt leichte, niedrige Fortschritte

Solarenergie wird eine Schlüsselrolle dabei spielen, dass die Vereinigten Staaten ihr Ziel erreichen

Solarenergie wird voraussichtlich eine Schlüsselrolle dabei spielen, dass die Vereinigten Staaten ihr Ziel erreichen, bis 2050 eine Netto-Null-Emissions-Wirtschaft zu erreichen. Neben herkömmlichen Solarmodulen, die überwiegend aus Silizium und Cadmiumtellurid bestehen, dürfte auch Perowskit-Photovoltaik eine Rolle spielen die Lösung.

„Photovoltaik auf Perowskit-Basis ist spannend, weil sie wie Zeitungen gedruckt werden kann und nur einen kleinen Bruchteil des Materials erfordert, das bei herkömmlichen Photovoltaik-Technologien verwendet wird“, sagte Adam Printz, Assistenzprofessor für Chemie- und Umweltingenieurwesen. „Weniger Materialverbrauch reduziert Kosten und Abfall, sodass langfristige Photovoltaik auf Perowskitbasis ein attraktiver Ersatz für aktuelle Technologien ist.“

Perowskite sind ultradünn – nur wenige hundert Nanometer dick oder etwa 1 % der Breite eines menschlichen Haares – und können auf flexible Kunststoffsubstrate gedruckt werden, was bedeutet, dass sie in Anwendungen eingesetzt werden könnten, bei denen Tragbarkeit und Gewicht wichtige Designfaktoren sind, auch im Katastrophenfall Nothilfe, Luftfahrt, Weltraumforschung und tragbare Sensoren für das Gesundheitswesen. Allerdings ist die Perowskit-Photovoltaik noch nicht kommerziell nutzbar, da sie immer noch chemische und mechanische Instabilitäten aufweist, die dazu führen, dass sie schneller abgebaut wird und nicht mehr funktioniert als andere Technologien. Was genau verursacht diese Instabilitäten und wie können sie gemildert werden, um die Leistung von Perowskiten zu verbessern?

Mit einem 500.000 US-Dollar teuren CAREER Award der National Science Foundation will Printz es herausfinden. Parallel dazu arbeitet er an der Einführung einer Videoserie und eines Nebenfachs für erneuerbare Energien, um eine neue Generation von Wissenschaftlern auszubilden.

Verstehen, warum und wo Fehler entstehen

Das Wort „Perowskit“ bezog sich ursprünglich auf ein erstmals im frühen 19. Jahrhundert entdecktes Mineral mit der Kristallstruktur ABX3. Heutzutage wird das Wort auch als Abkürzung für „Photovoltaik auf Metallhalogenid-Perowskit-Basis“ oder im Labor hergestellte Materialien verwendet, die eine ABX3-Kristallstruktur aufweisen und Eigenschaften wie Fotoleitfähigkeit und die Möglichkeit bieten, zu Tinten verarbeitet zu werden.

In der ABX3-Kristallstruktur ist A ein Kation oder positiv geladenes Ion, B ein Metall (typischerweise Blei oder Zinn) und X ein Halogenid (eine Atomart, die als Anion oder negativ geladenes Ion fungiert). . All dies wird in einem Lösungsmittel gelöst, um eine Tinte herzustellen, die auf ein flexibles Kunststoffsubstrat gedruckt werden kann, ähnlich wie Tinte auf eine Zeitung gedruckt wird. Der resultierende Film wird erhitzt, sodass das Lösungsmittel verdampft und der Perowskit kristallisieren kann.

Wenn der Film abkühlt, neigt der Perowskit von Natur aus dazu, stärker zu schrumpfen als das Substratmaterial. Da jedoch die Folie und das Substrat miteinander verbunden sind, schrumpft der Perowskit in den Bereichen, in denen er das Substrat berührt, weniger. Stellen Sie sich vor, dass die Mitte eines Tennisnetzes leicht durchhängt, weil es sich eher im Ruhezustand befindet, aber an den Seiten höher sitzt, weil es von Stangen gehalten wird. Der Unterschied zwischen dem natürlichen Gittermuster des Perowskits (wie die Mitte eines Tennisnetzes) und dem Muster in direktem Kontakt mit dem Substrat (wie die Seiten eines Tennisnetzes) verursacht Spannungen und bildet einen Gitterspannungsgradienten.

„Wir wissen, dass Gitterspannungen problematisch sind und wahrscheinlich zu Instabilitäten führen“, sagte Printz. „Wir wissen auch, dass es in diesen Filmen einen vertikalen Dehnungsgradienten gibt, was bedeutet, dass das Ausmaß der Dehnung an der Oberseite der Folie anders ist als an der Unterseite der Folie. Bisher hat niemand diese Dehnungsgradienten wirklich mit der Stabilität in Verbindung gebracht, und das auch nicht.“ wie diese Gradienten zu unterschiedlichen Defektdichten in den Perowskitfilmen führen.“

Beseitigung von Fehlern und Modulation von Belastungen

Eine bekannte Möglichkeit, diese Defekte zu mildern, auch wenn ihr Verhalten nicht vollständig verstanden ist, besteht darin, organische Materialien, sogenannte Additive, in die Perowskitfilme einzubauen.

„Additive beheben grundsätzlich Fehler und beseitigen sie aus der Gleichung“, sagte Printz. „Wir werden versuchen, diese Additive nicht nur zum Angriff auf Defekte zu verwenden, sondern auch, um die Modulation der Spannung im Perowskitmaterial zu ermöglichen, sodass wir möglicherweise die Atome auseinanderziehen oder zusammendrücken und unterschiedliche Eigenschaften und Stabilität erhalten können.“ "

Da Perowskite jedoch aus drei Kategorien von Inhaltsstoffen bestehen und jede Kategorie eine Reihe von Optionen bietet, gibt es eine riesige und ständig wachsende Zahl von Perowskit-Formationen. Selbst wenn also ein Team von Wissenschaftlern einen Zusatzstoff finden würde, der mithilfe einer bestimmten Perowskit-Formel Defekte beseitigt, wird die Formel wahrscheinlich bald veraltet sein, da bessere Versionen entwickelt werden. Dann würde die Suche nach dem richtigen Zusatzstoff von neuem beginnen.

Printz und sein Team testen zunächst verschiedene Additive an einer sehr einfachen Perowskit-Formulierung und testen dann dieselbe Gruppe von Additiven an chemisch komplexeren Perowskiten.

Von dort aus planen sie, mithilfe einer Kombination aus Experimenten, Simulationen und schließlich maschinellem Lernen mit der Entwicklung einer Datenbank zu beginnen, die dokumentiert, welche Additive mit welchen Perowskit-Formulierungen funktionieren.

„Eine Person könnte in die Datenbank eingeben: ‚Dies ist die Perowskit-Formulierung, mit der ich arbeite‘, und die Datenbank könnte sagen: ‚Probieren Sie diese drei Zusätze‘ oder ‚Probieren Sie diese 17 Zusätze aus‘“, sagte Printz. „Wir gehen sehr systematisch vor.“

Die Möglichkeit, die Spannung und Defektdichte zu kontrollieren, könnte über die Welt der Perowskite hinaus nützlich sein, in Anwendungen, die von Transistoren bis hin zu physikalischen Experimenten reichen.

Videoserie „Wissenschaftler wie ich“.

Das CAREER-Projekt von Printz umfasst auch mehrere studentenorientierte Elemente in Zusammenarbeit mit Programmen wie Arizona Science, Engineering and Math Scholars. Zunächst planen er und sein Team, eine Reihe von Seminaren zu starten, um marginalisierten Studenten dabei zu helfen, ihre Forschungsbereitschaft zu entwickeln. Gemeinsam werden sie eine Reihe von Videos mit dem Titel „Scientists Like Me“ erstellen, in denen Wissenschaftler mit unterschiedlichem Hintergrund über wissenschaftliche und gesellschaftliche Themen sprechen.

„Mit diesem Format wollen wir sowohl die Wissenschaftler humanisieren als auch Studenten inspirieren, damit sie sich selbst als zukünftige Wissenschaftler vorstellen können“, sagte Printz.

Zur Verfügung gestellt von der University of Arizona