Perowskit-Solarzellen müssen nicht perfekt sein

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.

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