30.01.2023 • Energie

Perowskit-Solarzellen werden stabiler

Polymerverbindung reduziert thermomechanischen Stress in Perowskit-Schichten.

Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halb­organische Material sehr empfindlich auf Temperatur­unterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungs­schäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymer­verbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigen nun neue Arbeiten eines internationales Teams unter der Leitung von Antonio Abate am Helmholtz Zentrum Berlin. Die so herge­stellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperatur­schwankungen zwischen über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

Abb.: In Perowskit-Schichten polstert eine dipolare Polymer­verbindung die...
Abb.: In Perowskit-Schichten polstert eine dipolare Polymer­verbindung die winzigen Kristalle ab und reduziert damit den thermo­mechanischen Stress. (Bild: G. Li, HZB)

Von Solarmodulen wird erwartet, dass sie unter Freiland­bedingungen mindestens zwanzig Jahre lang eine stabile Leistung erbringen. Dabei müssen sie große Temperatur­schwankungen aushalten. Silizium-Module schaffen das problemlos, während die halb­organischen Perowskite recht schnell an Leistung verlieren. „Sonnenlicht kann das Innere einer PV-Zelle rasch auf achtzig Grad Celsius aufheizen; im Dunkeln kühlt die Zelle dann sofort wieder auf Außen­temperatur ab. Das löst große mechanische Spannungen in der Dünnschicht aus Perowskit-Mikro­kristallen aus, die zu Defekten und sogar zu lokalen Phasen­übergängen führen, so dass die Solarzelle an Qualität verliert“, sagt Antonio Abate. 

Gemeinsam mit seinem Team und internationalen Partnern hat er eine chemische Variante untersucht, die die Stabilität der Perowskit-Dünnschicht in verschiedenen Solarzellen­architekturen deutlich verbessert. Besonders ausgeprägt war die Verbesserung in der p-i-n-Architektur, die normalerweise etwas weniger effizient ist als die häufiger verwendete n-i-p-Architektur. „Wir haben die Bauelement­struktur und die Prozess­parameter optimiert, wobei wir auf frühere Ergebnisse aufbauen konnten. So gelang uns schließlich eine entscheidende Verbesserung mit b-Poly(1,1-difluor­ethylen) oder kurz b-pV2F“, sagt Guixiang Li, der unter der Leitung von Antonio Abate promoviert. b-pV2F-Moleküle ähneln einer Zickzackkette, die mit alter­nierenden Dipolen besetzt ist. „Dieses Polymer scheint sich wie eine weiche Schale um die einzelnen Perowskit-Mikro­kristalle in der dünnen Schicht zu legen und bildet eine Art Polster gegen thermo­mechanische Belastungen“, erklärt Abate.

Tatsächlich zeigen Aufnahmen unter dem Rasterelektronen­mikroskop, dass sich die winzigen Körnchen in den Zellen mit b-pV2F enger aneinander schmiegen. „Außerdem verbessert die Dipolkette von b-pV2F den Transport von Ladungs­trägern und erhöht damit die Effizienz der Zelle", sagt Abate. Tatsächlich konnte die Gruppe im Labormaßstab Zellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 24,6 Prozent herstellen, ein Rekord für die p-i-n-Architektur. Die so hergestellten Solarzellen mussten einen harten Test durchlaufen: mehr als hundert Zyklen zwischen achtzig Celsius und minus sechzig Celsius und eintausend Stunden konti­nuierlicher Ein-Sonnen-Äquivalent-Beleuchtung mussten sie aushalten. Das entspricht etwa einem Jahr Außeneinsatz. „Selbst unter diesen extremen Belastungen erreichten sie am Ende noch einen Wirkungsgrad von 96 Prozent“, betont Abate. Das liegt schon in der richtigen Größenordnung. Wenn es nun gelingt, die Verluste noch ein wenig zu reduzieren, könnten Perowskit-Solar­module auch nach zwanzig Jahren noch einen Großteil ihrer ursprüng­lichen Leistung erbringen.

HZB / JOL

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