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
