16.01.2018

Perowskit-Solarzellen müssen nicht perfekt sein

Hohe Wirkungsgrade trotz zahlreicher Löcher.

Metallorganische Perowskit-Schichten für Solarzellen werden häufig durch Rota­tions­schleudern auf industrie­rele­vante Substrate auf­ge­tragen. Die auf­ge­schleu­derten Perowskit-Schichten weisen in der Regel zahl­reiche Löcher auf, erzielen aber dennoch erstaun­lich hohe Wirkungs­grade. Warum solche Löcher kaum zu Kurz­schlüssen und Ladungs­träger­rekombi­nation führen, hat nun ein Forscher­team um Marcus Bär vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materi­alien und Energie in Zusammen­arbeit mit Kollegen der Univer­sity of Oxford an BESSY II heraus­ge­funden.

Abb.: Vereinfachter Querschnitt durch eine Perowskit-Solar­zelle. Die Perowskit-Schicht bedeckt nicht die gesamte Fläche, sondern weist Löcher auf. Aller­dings bildet sich dort eine Schutz­schicht, die einen Kurz­schluss ver­hindert. (Bild: HZB)

Die metallorganischen Perowskite zeigten anfänglich Wirkungs­grade von wenigen Prozent. Aber das änderte sich rasch: Inzwischen liegt der Rekord­wert bei deut­lich über 22 Prozent. Eine solche Steige­rung hatte bei den derzeit kommer­ziell dominie­renden Silizium-Solar­zellen mehr als fünfzig Jahre gedauert. Dünn­schichten aus metall­orga­nischen Perowskiten sind preis­günstig und sie lassen sich groß­flächig her­stellen, etwa durch Auf­schleu­dern einer Perowskit-Lösung und anschlie­ßendem Aus­heizen. Dabei ver­dampft das Lösungs­mittel und das Material kristal­li­siert aus. Das macht diese Techno­logie sehr attraktiv.

Allerdings entsteht beim Aufschleudern auf kompakte Substrate in der Regel keine perfekte eben­mäßige Dünn­schicht, sondern ein Perowskit-Film mit zahl­reichen Löchern. Das Problem: Die Löcher könnten zu Kurz­schlüssen in der Solar­zelle führen, indem die angren­zenden Schichten der Solar­zelle in Kontakt kommen. Das müsste eigent­lich den Wirkungs­grad sehr deut­lich redu­zieren. Dieser Effekt ließ sich jedoch nicht beob­achten.

Jetzt haben Bär und sein Team Perowskit-Proben von Henry Snaith aus Oxford gründ­lich unter die Lupe genommen. Mit Hilfe der Raster­elek­tronen­mikro­skopie haben sie die Ober­fläche morpho­lo­gisch kartiert. An den Stellen mit Löchern analy­sierten sie anschlie­ßend orts­auf­ge­löst mit spektro­mikro­sko­pischen Methoden an BESSY II die chemische Zusammen­setzung. „Wir konnten zeigen, dass selbst in den Löchern das Substrat nicht wirk­lich unbe­deckt ist, sondern sich dort quasi als Ergebnis der Abschei­dung und Kristal­li­sa­tion eine dünne Schicht aus­bildet, die offen­sicht­lich Kurz­schlüsse ver­hindert“, erklärt Team-Mitglied Claudia Hart­mann.

Dabei konnten die Forscher auch ermitteln, dass die Energie­barriere ver­gleichs­weise hoch ist, die die Ladungs­träger über­winden müssten, um bei einem direkten Auf­ein­ander­treffen der Kontakt­schichten mit­ein­ander zu rekombi­nieren. „Die Elek­tronen-Trans­port­schicht und das Trans­port­material für positive Ladungs­träger kommen eben nicht direkt in Kontakt. Außer­dem ist die Rekombi­nations­barriere zwischen den Kontakt­schichten aus­reichend groß, so dass trotz der vielen Löcher in der Perowskit-Dünn­schicht die Verluste in diesen Solar­zellen gering sind“, sagt Bär.

HZB / RK

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Anbieter des Monats

Quantum Design GmbH

Quantum Design GmbH

Forschung lebt von Präzision. Seit über 40 Jahren steht Quantum Design für innovative Messtechnik auf höchstem Niveau – entwickelt in Kalifornien, betreut weltweit. Unsere Systeme sind der Goldstandard in der Materialcharakterisierung und ermöglichen tiefe Einblicke in die magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften von neuen Materialien.

Meist gelesen

Themen