Weniger Defekte, mehr Strom
Mesoporöse Schicht erhöht die Stabilität von Perowskit-Solarzellen.
In nur wenigen Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen von knapp drei auf über zwanzig Prozent steigern lassen. Dazu kommt, dass dieses Material preisgünstig ist und einfach verarbeitet werden kann. Deshalb gelten Perowskit-Dünnschichten als vielversprechender Kandidat für den weiteren Ausbau der Photovoltaik. Leider gibt es bislang noch einige Haken: So bleibt der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen unter UV-Strahlung im Freien oder elektrischen Feldern, die beim Betrieb auftreten, nicht lange stabil. Nun haben Antonio Abate, Leiter einer Helmholtz-Nachwuchsgruppe am HZB, und Alessio Gagliardi von der Technischen Universität München, gezeigt, welchen Einfluss der Aufbau von Perowskit-Zellen auf die Stabilität des Wirkungsgrads hat.
Abb.: Diese Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigt eine Perowskit-Solarzelle mit stabilisierender mesoporöser Grenzschicht zwischen Perowskit (braun) und Metalloxid. (Bild: A. Gagliardi, TUM)
Die Wissenschaftler untersuchten zwei unterschiedliche Architekturen von Perowskit-Solarzellen, die ansonsten auf identische Weise präpariert wurden. In beiden grenzt die Perowskit-Dünnschicht an eine Elektronen leitende Schicht aus einem Metalloxid wie Titandioxid oder Zinndioxid. Während in der ersten Variante die beiden Schichten glatt aneinandergrenzen, bildet sich in der zweiten Variante eine mesoporöse Zwischenschicht aus Perowskit und Metalloxid aus, die eine komplexe, schwammartige Struktur mit vielen winzigen Poren besitzt. Überraschenderweise blieb der Wirkungsgrad von Zellen mit dieser mesoporösen Zwischenschicht weitaus länger stabil als in Zellen mit einer planaren Zwischenschicht.
Durch weitere Experimente und mit Hilfe numerischer Simulationen konnten die Forscher nun eine Begründung für diesen Effekt finden: „Die mesoporöse Zwischenschicht besitzt eine sehr große innere Oberfläche und das erweist sich als Vorteil“, erklärt Abate. Denn dadurch verteilen sich etwaige Fehlstellen und Defekte, die den Wirkungsgrad mindern und sich während des Betriebs der Solarzelle anhäufen, sehr großflächig. Ihr Einfluss wird damit verdünnt und abgemildert, so dass der Wirkungsgrad stabil bleibt.
Die Wissenschaftler konnten sogar einen Schwellenwert für die Defektdichte bei den mesoporösen Perowskit-Zellen ermitteln. Oberhalb dieser Schwelle nimmt die Degradation der Zelle sehr rasch zu, ihre Stabilität sinkt rapide. Doch unterhalb der Schwelle bleibt der Wirkungsgrad der Zelle stabil. „Wir konnten zeigen, dass Perowskit-Zellen in einer mesoporösen Architektur weitaus besser gegen den Einfluss von Defekten geschützt sind”, sagt Abate.
HZB / JOL