Fraunhofer ISE erreicht mit Graphitelektrode verbesserte Stabilität von Perowskit-Solarzellen

von pv magazine International

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) hat versucht, die Stabilität von Perowskit-Solarzellen durch die Verwendung von Elektroden auf Kohlenstoffbasis zu verbessern. Grund ist deren höhere Widerstandsfähigkeit gegen die durch die Rückwärtsspannung verursachte Degradation.

Den Forschern zufolge wurde dieses Problem bisher nahezu ignoriert, obwohl es sich auf die langfristige Stabilität auswirkt und verhindert, dass die Geräte die Marktreife erreichen. „Defekte oder nicht an den Strom angepasste Solarzellen können als intrinsische Ursache für die Entstehung von Hotspots in den Modulen angesehen werden, während die teilweise Abschattung eines Photovoltaik-Moduls während des Betriebs als extrinsische und häufig vorkommende Ursache für die durch die Sperrvorspannung verursachte Degradation gilt“, so die Forscher. „In früheren Studien führte eine negative Spannung, die an herkömmliche Perowskit-Solarzellenstapel angelegt wurde, zum Zusammenbruch und zur irreversiblen Zerstörung des Geräts.“

Die jetzt entwickelte Solarzelle wurde auf einem Substrat aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO) aufgebaut, das mit Titandioxid (c-TiO2), einer elektronenselektiven Schicht aus mesoporösem Titandioxid (m-TiO2), einer isolierenden Abstandsschicht aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) und einer Graphitelektrode beschichtet war. „Elektroden auf Kohlenstoffbasis neigen weder zum Schmelzen bei hohen Temperaturen, noch zur Migration von (Metall-)Ionen von der Elektrode in den Perowskit-Absorber, noch zur Elektrodenoxidation, was sie zu einem idealen Kandidaten für die Verbesserung der Stabilität von Perowskit-Solarzellen macht“, betonten die Wissenschaftler.

Anhand von I-U-Messungen fanden sie heraus, dass die Durchbruchspannung der Zellen bei etwa -3,6 Volt liegt, die Geräte jedoch erst bei einer Sperrspannung von mehr als -9 Volt degradieren. Das Forscherteam identifizierte insbesondere zwei verschiedene Degradationsmechanismen, die mit der Sperrvorspannung zusammenhängen: einen Jodverlust aufgrund des Tunnelns von Löchern in das Perowskit, der bei niedriger Sperrvorspannung auftritt und das Perowskit in der Zelle erst nach langer Zeit zersetzt, und die Bildung von Blei(II)-Jodid (PbI2), was durch lokale Erwärmung bei großer Sperrvorspannung verursacht wird und für Shunt-Effekte verantwortlich ist.

Die Zellen wurden dann zur Herstellung eines 10 mal 10 Zentimeter großen Perowskit-Solarmoduls mit Rückkontakten auf Kohlenstoffbasis verwendet. Das Rückwärtsspannungs-Verhalten wurde in einem Hotspot-Test nach der internationalen Norm IEC 61215:2016 analysiert. „Das erstmalige Bestehen dieses beschleunigten Tests bestätigt die überragende Stabilität von Perowskit-Modulen mit kohlenstoffbasierten Elektroden und unterstreicht ihr großes Potenzial für die Industrialisierung“, so die Forscher. Sie fügten hinzu, dass das Problem der Zellzerstörung bei umgekehrter Belastung nun „überwunden“ sei.

Die Ergebnisse der Studie sind im Paper „Perovskite Photovoltaic Devices with Carbon-Based Electrodes Withstanding Reverse-Bias Voltages Up to -9V and Surpassing IEC 61215:2016 International Standard“ des Journals SolarRRL erschienen.

Die Forschungsgruppe umfasst auch Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums, des Schweizer Technologieunternehmens Solaronix SA und des Materialforschungszentrums (FMF) der Universität Freiburg.