Perowskit-Solarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade trotz Löchern

Metallorganische Perowskit-Schichten für Solarzellen werden oft durch Rotationsschleudern auf industrierelevante Substrate aufgetragen. Die aufgeschleuderten Perowskit-Schichten weisen in der Regel zahlreiche Löcher auf. Warum sie trotzdem erstaunlich hohe Wirkungsgrade erzielen, hat nun ein Forscher-Team am Helmholtz-Zentrum Berlin herausgefunden.

Vereinfachter Querschnitt durch eine Perowskit-Solarzelle: Die Perowskit-Schicht bedeckt nicht die gesamte Fläche, sondern weist „Löcher“ auf. Allerdings bildet sich dort eine Schutzschicht, die einen Kurzschluss verhindert, wie die neuesten Ergebnisse zeigen.

Foto: HZB

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Dünnschichten aus metallorganischen Perowskiten lassen sich großflächig etwa durch Aufschleudern einer Perowskit-Lösung und anschließendem Ausheizen herstellen. Dabei entstehen in der Regel jedoch keine perfekte ebenmäßige Dünnschichten, sondern ein Perowskit-Film mit zahlreichen Löchern. Das Problem: Diese Löcher könnten zu Kurzschlüssen in der Solarzelle führen, indem die angrenzenden Schichten der Solarzelle in Kontakt kommen. Dies müsste eigentlich den Wirkungsgrad sehr deutlich reduzieren – was Forscher allerdings bisher nicht beobachten konnten.

Woran das liegt, hat jetzt Marcus Bär und seine Forschergruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit Forschern des Fritz-Haber-Instituts herausgefunden, wie die Wissenschaftler am Dienstag veröffentlichten. Für die Suche nach den Gründen haben sie die Proben aus der Gruppe des Perowskit-Pioniers Henry Snaith von der Universität Oxford genau unter die Lupe genommen – auch diese weisen diese Löcher auf. In einem ersten Schritt haben die Wissenschaftler die Oberfläche mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie morphologisch kartiert. An den Stellen mit Löchern analysierten sie anschließend ortsaufgelöst mit spektromikroskopischen Methoden an Bessy II die chemische Zusammensetzung. Der Teilchenbeschleuniger lieferte das notwendige hochbrilliante Röntgenlicht für die spektromikroskopischen Untersuchungen an den Perovskitproben.

„Wir konnten zeigen, dass selbst in den Löchern das Substrat nicht wirklich unbedeckt ist, sondern sich dort quasi als Ergebnis der Abscheidung und Kristallisation eine dünne Schicht ausbildet, die offensichtlich Kurzschlüsse verhindert“, erklärt Doktorandin Claudia Hartmann. Dabei sei die Energiebarriere vergleichsweise hoch, die die Ladungsträger überwinden müssten. „Die Elektronen-Transportschicht TiO2 und das Transportmaterial für positive Ladungsträger Spiro-MeOTAD kommen eben nicht direkt in Kontakt. Außerdem ist die Rekombinationsbarriere zwischen den Kontaktschichten ausreichend groß, so dass trotz der vielen Löcher in der Perowskit-Dünnschicht die Verluste in diesen Solarzellen gering sind“, sagt Marcus Bär.

Metallorganische Perowskite-Solarzelllen haben nach HZB-Angaben ihren Wirkungsgrad von gut zwei Prozent 2006 auf inzwischen über 22 Prozent gesteigert. Eine solche Erhöhung habe bei den derzeit kommerziell dominierenden Silizium-Solarzellen mehr als 50 Jahre gedauert, heißt es weiter.

Vor wenigen Tagen hat das auf Perowskit spezialisierte Unternehmen Oxford Photovoltaics eine Kooperation mit dem Berliner Institut gemeldet. Das Unternehmen will auf dem Weg zur Serienfertigung von Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen das Know-how des Forschungszentrum im Bereich der Silizium-Heterojunctions-Solarzellentechnologie nutzen. „Die jetzigen Forschungsergebnisse geben einen ersten Vorgeschmack auf die Art von Charakterisierungsunterstützung die Oxford PV von der Kollaboration mit dem HZB erwarten kann“, sagt Marcus Bär auf Nachfrage von pv magazine. Im Institut selbst forschen mehrere Teams an Perowskite, darunter die Gruppe um Marcus Bär.

Die Ergebnisse sind publiziert in Advanced Materials Interfaces (2018).

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