Imec stabilisiert hohe Leistung von Perowskit-Solarzellen in Minimodulen

Seit Jahren werden Perowskit-Solarzellen als große Hoffnung für noch effizientere Photovoltaik-Nutzung gehandelt. Doch noch immer forschen Wissenschaftler daran, wie die hohe Leistung der Laborzellen in eine hochskalige Produktion transferiert warden kann. Dazu gehören auch die belgischen Forscher von Imec und UHasselt, die sich auf die Verbesserung der Perowskit-Grenzflächen fokussieren. Ihnen ist nun ein wichtiger Fortschritt gelungen, wie sie in ihrem Artikel „Minimizing the Interface-Driven Losses in Inverted Perovskite Solar Cells and Modules“ beschrieben, der im Fachmagazin “ACS Energy Letters” veröffentlicht ist.

Zur Grundlage nutzen sie Metallhalogenid-Perowskite, die sich durch gute optische und elektronische Eigenschaften als vielversprechendes Material herauskristallisiert haben. So hätten sie innerhalb weniger Jahre eine Effizienzverbesserung der Perowskit-Solarzellen von Weniger als vier auf mehr als 20 Prozent im Labor ermöglicht. Doch zur Kommerzialisierung müssen die Stabilitätsprobleme an den Übergängen zwischen dem Perowskit-Absorber und den Ladungstransportschichten überwunden werden. Dies könnte aus Sicht der belgischen Forscher durch ein molekulares Design von Grenzschichten gelingen. Damit haben sie nach eigenen Angaben die Leistung von invertierten p-i-n-Perowskit-Solarzellen verbessert. Durch die Behandlung von zwei Schichten sei die Effizienz um neun Prozent gesteigert und die Stabilität erhöht werden.

Die belgischen Forscherteams von Imec und UHasselt konzentrierten sich auf die Verbesserung der „oberen“ Grenzfläche – die sich zwischen dem Perowskit und der Fulleren-C60-Elektronentransportschicht befindet – und die „untere“ Grenzfläche zwischen dem Perowskit und der Nickeloxid-basierten Lochtransportschicht. Beide Grenzflächen mit einem Ammoniumsalz behandelt, um die Effizienz zu verbessern. Dabei nutzten die belgischen Forscher 2-Thiophenethylammoniumchlorid (TEACl). Damit wollten sie eine 2D-Perowskit-Schicht an der Grenzfläche entstehen lassen.

Die resultierenden oberen und dual-interface-behandelten Perowskit-Solarzellen zeigten im Vergleich zu unbehandelten Zellen eine unterdrückte nicht-radiative Rekombination, einen verbesserten Grenzflächenkontakt und eine optimierte Bandanordnung, wie die Forscher erklärten. Für die Dual-Interface-behandelten Solarzellen sei eine Spitzeneffizienz von 24,3 Prozent erreicht worden, einhergehend mit einer Kurzschlussdichte von 24,5 Milliampere pro Quadratzentimeter, einer Leerlaufspannung von 1,17 Volt und einem Füllfaktor von 84,6 Prozent.

„Neben der Effizienzsteigerung haben wir auch eine bemerkenswerte Stabilität festgestellt“, erklärte Tom Aernouts, Forschungs- & Entwicklungsmanager des Imec-Teams für Dünnschicht-Photovoltaik. Nach 1000 Stunden Dauerbetrieb hätten die Solarzellen immer noch eine 97-prozentige Stabilität aufgewiesen. Auch nach einer Alterung von 1850 Stunden behielten die doppelschichtbehandelten Perowskit-Solarzellen noch 88 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung. Die unbehandelten Solarzellen hätten zu diesem Zeitpunkt nur noch 55 Prozent der ursprünglichen Leistung aufgewiesen.

Neben den Optimierungen auf Zellebene untersuchten die Forscher auch die weitere Skalierung auf ein Minimodul mit einer aktiven Fläche von 3,63 Quadratzentimetern. Dabei sei eine Effizienz von 22,6 Prozent und ein Füllfaktor von 82,4 Prozent erzielt worden. „Unsere Forschungsgruppe will nicht nur effizientere, sondern auch skalierbare Perowskit-Solarzellen entwickeln und so den Weg für die Kommerzialisierung ebnen. Daher werden auf der Ebene der Photovoltaik-Zellproduktion die Materialien und Prozesse auf der Grundlage dieser Zukunftsperspektiven ausgewählt und bewertet“, erklärte Aernouts.

Damit könnten Perowskit-Solarzellen künftig auch für Tandemtechnologien genutzt werden. „Da sich duale Schnittstellenmodulationen bei verschiedenen Perowskit-Zusammensetzungen als wirksam erwiesen haben, tragen diese Ergebnisse weiter zur Entwicklung einer skalierbaren und kommerziell nutzbaren Perowskit-Solarzellentechnologie bei“, so die Forscher.