Ungewöhnlicher Kontakt

Eine überraschende Erkenntnis bei organisch-anorganischen Hybrid-Solarzellen hat ein Team um Silke Christiansen gewonnen: Anders als erwartet entspricht der Übergang zwischen der organischen leitfähigen Kontaktschicht aus PEDOT:PSS und dem Silizium-Absorbermaterial nicht einem Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), sondern einem pn-Übergang zwischen zwei Halb­leiter­materialien.

Das untersuchte System basiert auf konventionellen n-dotierten Silizium­wafern, die mit dem organischen hochleit­fähigen Material PEDOT:PSS beschichtet sind und einen Wirkungs­grad von etwa 14 Prozent besitzen. Diese Material­kombination wird aktuell auch von anderen Forschergruppen intensiv untersucht.

„Wir haben systematisch die Kennlinien, Dunkelströme sowie die Kapazitäten von solchen Schicht­systemen ausgemessen, und zwar mit unterschiedlich dotierten Siliziumwafern“, erklärt Sara Jäckle, Doktorandin im Team von Silke Christiansen vom Institut für Nano­architekturen für die Energie­umwandlung am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Projektleiterin am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Für einige Messungen arbeitete das Team auch mit der Arbeitsgruppe von Klaus Lips vom HZB-Institut für Nanospektroskopie zusammen.

„Dabei haben wir festgestellt, dass die Dunkelkennlinien sowie die Leerlaufspannung der Solarzellen von der n-Dotierung der Siliziumschicht abhängen. Dieses Verhalten und die Größenordnung der Messwerte passen jedoch überhaupt nicht zu einem typischen Schottky-Kontakt.“

Der Befund ist überraschend, denn n-Silizium ist ein typischer Halbleiter, während PEDOT:PSS üblicherweise als metallisch leitend beschrieben wird. Bislang wurde deshalb angenommen, dass zwischen diesen beiden Materialien ein typischer Metall-Halbleiter-Kontakt besteht, der durch die Schottky-Gleichung beschrieben werden kann.

Doch die Messdaten und der Abgleich mit theoretischen Modellierungen zeigen etwas anderes: Die organische, leitfähige Schicht verhält sich im Kontakt mit n-Silizium nicht wie ein Metall, sondern wie ein p-Halbleiter. „Die Messergebnisse hängen von der Stärke der n-Dotierung ab, genau wie bei einem Hetero­übergang zwischen einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter“, sagt Sara Jäckle.

„Diese Arbeit betrifft einen ganz wichtigen Aspekt bei solchen hybriden Schichtsystemen, nämlich das Verhalten an der Grenzschicht”, sagt Silke Christiansen. „Die Ergebnisse sind vermutlich auch für andere hybride Systeme gültig, die für die Photovoltaik oder andere opto­elektronische Anwendungen interessant sind, beispielsweise auch für Perowskit-Zellen. Sie geben uns neue Hinweise, wie wir gezielt an der Grenz­flächen­optimierung arbeiten können”.

HZB / DE