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Röntgenblick zeigt das Innere von Solarzellen im Betrieb
Wie verändert sich das Innere einer Solarzelle, wenn sie Strom erzeugt und dabei erwärmt wird? Eine neue Messplattform am brasilianischen Synchrotron Sirius ermöglicht es, vollständige Perowskit-Solarzellen unter kontrollierten Betriebsbedingungen mit einem fein gebündelten Röntgenstrahl zu untersuchen. Erste Versuche zeigen, dass sich elektrische Kennwerte und mikroskopische Veränderungen an derselben Zelle erfassen lassen.
Campinas (Brasilien). Perowskit-Solarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade, sind aber gegenüber Wärme, Feuchtigkeit und länger anhaltender Beleuchtung vergleichsweise empfindlich. Solche Belastungen können die Zusammensetzung und Kristallstruktur ihrer dünnen Halbleiterschichten verändern und dadurch die Leistung beeinträchtigen. Die Stabilität unter Hitze und Feuchtigkeit gehört deshalb zu den entscheidenden Herausforderungen dieser Solartechnik.
Um den Ursachen solcher Leistungsverluste auf die Spur zu kommen, müssen die Vorgänge in den aktiven Schichten möglichst genau beobachtet werden. Viele bisherige Untersuchungen betrachten jedoch einzelne Materialien oder Proben getrennt vom tatsächlichen Betrieb einer vollständigen Solarzelle. Hinzu kommt, dass schon winzige Verschiebungen der Probe eine Messung im Nanomaßstab erschweren können.
Forscher des Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM) um Rodrigo Szostak haben nun einen speziellen Probenhalter für die Röntgenmessstation TARUMÃ entwickelt. Sie gehört zur Strahllinie CARNAÚBA am brasilianischen Synchrotron Sirius. Der Aufbau erlaubt es, eine vollständige Solarzelle zu beleuchten, ihre Temperatur und Umgebung zu verändern und gleichzeitig elektrische Messwerte sowie hochaufgelöste Röntgendaten zu gewinnen.
„Wir wollten die normalen Betriebsbedingungen einer Solarzelle nachbilden und die am Sirius-Beschleuniger verfügbaren Techniken nutzen, um zu beobachten, was im Material geschieht“, erklärt Rodrigo Szostak.
Herzstück der Konstruktion ist ein kleiner Glasträger mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht aus Indiumzinnoxid. Auf einer Seite wird die Solarzelle aufgebaut, auf der anderen dienen zwei feine Platinleiter als Heizung und Temperatursensor. Eine kompakte Kammer ermöglicht außerdem die Zufuhr unterschiedlicher Gase und die Überwachung der Luftfeuchtigkeit.
Die Strahllinie stellt mehrere Messmethoden bereit, die unterschiedliche Eigenschaften derselben Probe erfassen können. Röntgenfluoreszenz zeigt die räumliche Verteilung chemischer Elemente, während Röntgenbeugung Informationen über die Kristallstruktur liefert. Mit Röntgenabsorptionsmessungen lassen sich zusätzlich Rückschlüsse auf die chemische Umgebung bestimmter Atome ziehen.
Damit verschiedene Messungen dieselbe winzige Materialstelle erfassen, darf sich die Solarzelle beim Erwärmen kaum unkontrolliert bewegen. Die Heizung konzentriert sich deshalb auf ein nur drei mal drei Millimeter großes Feld. Eine Halterung aus einer wenig wärmedehnbaren Titanlegierung und elastische Verbindungselemente sollen die Ausdehnung des Glases ausgleichen.
„Da wir mit einem etwa 200 Nanometer breiten Strahl arbeiten, der Hunderte Male dünner als ein menschliches Haar ist, muss die Probe an ihrem Platz bleiben. Unser Ingenieurteam hat gemeinsam mit uns eine Möglichkeit entwickelt, die Probe zu fixieren und diese Ausdehnung zu berücksichtigen“, erklärt Rodrigo Szostak.
Bei einem rund 20-stündigen Test durchlief der Probenhalter mehrfach Temperaturstufen zwischen 30 und 150 Grad Celsius. Über die gesamte Temperaturspanne verschob sich die Probe vertikal um etwa fünf Mikrometer und horizontal um rund einen Mikrometer. Diese Bewegungen waren weitgehend reproduzierbar und beim Abkühlen umkehrbar, sodass die Messposition nach der thermischen Stabilisierung ausreichend konstant blieb.