Perowskit-Solarzellen werden stabiler

Weltweit forschen Teams mit Hochdruck an der Entwicklung von Perowskit-Solarzellen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf metall­organischen Hybrid-Perowskiten, deren Kristallstruktur sich sowohl aus anorganischen Elementen wie Blei und Iod als auch aus einem organischen Molekül zusammensetzt. Vollständig anorganische Perowskit-Halbleiter wie CsPbI₃ besitzen die gleiche kristalline Architektur wie hybride Perowskite, beinhalten aber statt eines orga­nischen Moleküls ein Alkali-Metall wie Cäsium. Dadurch sind sie deutlich stabiler als Hybrid-Perowskite, erfordern aber üblicherweise einen Herstellungs­schritt bei sehr hoher Temperatur von mehreren Hunderten Grad Celsius. Aus diesem Grund lassen sich anorganische Perowskit-Halbleiter bisher nur schwer in Dünn­schicht-Solarzellen integrieren, die hohe Temperaturen nicht vertragen. Nun ist es einem Team um Thomas Unold gelungen, anorganische Perowskit-Halbleiter bei moderaten Temperaturen herzustellen, sodass sie künftig auch in verschiedenen Dünn­schicht-Zellen genutzt werden könnten.

Dafür entwarfen die Physiker ein innovatives Experiment, mit dem sie viele Materialkombinationen innerhalb einer einzigen Probe synthetisieren und analysieren konnten. Durch Ko-Verdampfung von Cäsiumiodid und Bleiiodid stellten sie dünne Schichten aus CsPbI₃ her, wobei sie systematisch die Überschüsse der Elemente in der Atmosphäre variierten. Die Substrat-Temperatur lag dabei unter sechzig Grad Celsius. „Durch einen solchen kombi­natorischen Forschungs­ansatz können optimale Herstellungsparameter für neue Material­systeme viel schneller gefunden werden als in der herkömmlichen Herangehensweise, bei der für hundert Zusammen­setzungen typischer­weise hundert Proben hergestellt werden müssen“, erklärt Unold. Durch sorgfältige Analysen während der Synthese und der anschließenden Messungen der opto­elektronischen Eigenschaften konnten sie ermitteln, wie sich die Zusammensetzung der Dünnschicht auf die Material­eigenschaften auswirkt.

Ihre Messungen zeigen, dass sowohl die strukturellen wie auch wichtige opto­elektronische Material­eigenschaften empfindlich vom Verhältnis zwischen Cäsium und Blei abhängen. So ermöglicht ein Cäsium-Überschuss eine stabile Perowskit-Phase mit guter Beweglichkeit und Lebens­dauer der Ladungsträger. In Zusammenarbeit mit der Nachwuchs­gruppe von Steve Albrecht am HZB wurden mithilfe dieser optimierten CsPbI₃-Schichten Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als zwölf Prozent und einer Stabilität von mehr als 1200 Stunden demonstriert. „Wir haben gezeigt, dass sich auch anor­ganische Perowskit-Absorber für den Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen eignen könnten, wenn man sie entsprechend herstellen kann. Wir gehen gegenwärtig davon aus, dass sich solche Bauelemente noch sehr stark optimieren lassen“, sagt Unold.

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Becker et al.: Low Temperature Synthesis of Stable γ‐CsPbI₃ Perovskite Layers for Solar Cells Obtained by High Throughput Experimentation, Adv. En. Mat., online 26. April 2019; DOI: 10.1002/aenm.201900555
• Struktur und Dynamik von Energiematerialien, Helmholtz Zentrum Berlin HZB, Berlin