12.10.2018

Rezept für stabilere Perowskit-Solarzellen

Neue Bausteine erhöhen thermische Stabilität der licht­aktiven Kristalle.

Für die Entwicklung effizienterer Solarzellen gelten Perowskite als viel­ver­sprechende Ergän­zung zum etab­lierten Halb­leiter Silizium. Reine Perowskit-Zellen haben im Labor bereits einen Wirkungs­grad von 22,7 Prozent, Tandem-Zellen in Kombi­nation mit Silizium sogar schon 27,3 Prozent Wirkungs­grad. Allein die thermische Lang­zeit­stabilität und eine ideale Anpas­sung an das Sonnen­spektrum fordern die Wissen­schaftler noch heraus. Nun gelang es einer Forscher­gruppe vom Adolphe-Merkle-Institut im schweize­rischen Fribourg und von der Ecole Poly­tech­nique Federale de Lausanne, signi­fi­kant stabilere Perowskit-Solar­zellen zu ent­wickeln.

Abb.: Prototyp einer Perowskit-Solar­zelle, die dank einer neuen Material­mischung eine höhere Stabilität auf­weist als bis­herige Module. (Bild: M. Saliba et al., Adolphe-Merkle-Institut)

Alle Perowskite, die für die Entwicklung von Solarzellen genutzt werden, weisen eine ABX3-Struktur auf. Die bisher effi­zien­testen Proto­typen bestehen aus Perowskiten mit Methyl­ammonium-Kationen und Bromid-Anionen. Doch gerade das kleine Molekül Methyl­ammonium ist relativ mobil und instabil. Es spaltet sich auf und dampft aus dem Material heraus. Dieser Wandel zeigt sich in einem Über­gang einer schwarzen, photo­voltaisch aktiven in eine inaktive, gelbe Phase. „Unser Ziel war es nun, Methyl­ammonium zu ersetzen“, sagt Michael Saliba vom Adolphe-Merkle-Institut.

Zusammen mit seinen Kollegen wählte Saliba Formamidinium – ein Molekül aus Stick­stoff und Wasser­stoff – als Kation, da es eine deut­lich größere thermische Stabilität auf­weist als Methyl­ammonium. Zusätz­lich nutzten sie Rubidium- und Caesium-Kationen, die in früheren Ver­suchen bereits zu stabileren Perowskit-Kristallen führten. Anstelle von Bromid- wechselte die Gruppe auf Iodid-Anionen, um eine uner­wünscht starke Blau­ver­schiebung der Band­lücke des Perowskit-Kristalls zu vermeiden.

In mehreren, teils nasschemischen Prozessschritten fertigten die Forscher kleine Solar­zellen mit Perowskiten mit der Zusammen­setzung Rb5Cs10FAPbI3, wobei FA für Form­amidinium steht. Im Proto­typ waren die Perowskit-Kristalle beid­seitig von einer dünnen, trans­parenten Schicht aus Poly­methyl­methacrylat umhüllt. Als durch­sichtige Elektrode diente ihnen Fluor­zinn­oxid auf der dem Licht zuge­wandten und Gold auf der abge­wandten Seite.

In ersten Testmessungen erzielten die besten Prototypen einen hohen Wirkungs­grad von 20,35 Prozent bei einer Flächen­strom­dichte von etwa 25 Milli­ampere pro Quadrat­zenti­meter. Die Band­lücke bestimmten sie Forscher auf 1,53 Elektronen­volt. Wirkungs­grade dieser Größen­ordnung konnten bisher nur mit Methyl­ammonium-Kationen in Perowskit-Kristallen erreicht werden. Das neue Perowskit-Rezept führte jedoch zu einer bemerkens­wert guten Stabilität. Auch nach tausend Stunden sank der Wirkungs­grad von Proto­typen mit anfangs über 19 Prozent nur auf einen immer noch guten Wert von 18,16 Prozent ab.

Diese neue Rezeptur auf der Basis von Formamidinium, Caesium, Rubidium und Iod könnte in weiteren Ver­suchen zu noch höheren Wirkungs­graden bei guter Stabilität führen. Damit eignen sie sich gut für die Ent­wick­lung von Tandem-Solar­zellen in Kombination mit ausgereiften Silizium-Modulen. Mit einer exakt angepassten Bandlücke haben diese Zellen das Potenzial für Wirkungsgrade von bis zu dreißig Prozent. Theore­tische Abschätzungen haben bereits gezeigt, dass gestapelte Solar­zellen mit drei ver­schie­denen Perowskit-Schichten sogar bis 38 Prozent Wirkungs­grad erreichen könnten. Zudem könnten diese Perowskite auch für flexible Solar­zellen genutzt werden, die höhere Wirkungs­grade auf­weisen als bisher ent­wickelte orga­nische Solar­zellen.

Jan Oliver Löfken

RK

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