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Towards Stable and Highly Efficient Tin-based Perovskite Solar Cells

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Große Schritte in Richtung stabiler, bleifreier Perowskit-Solarzellen

Die Effizienz von Solarzellen, die eine vielversprechende Gruppe kristalliner Materialien namens Perowskite beinhalten, hat sich in kurzer Zeit erheblich verbessert. Wird auch ihr Weg vom Labor in den industriellen Sektor so rasch verlaufen? Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurden wichtige grundlegende Sachverhalte thematisiert.

Klimawandel und Umwelt

Die faszinierende Struktur und Eigenschaften von Perowskit haben das Material an die Speerspitze der Werkstoffkunde für eine Vielzahl von Anwendungen gebracht. Metallhalogenid-Perowskite – eine Unterart hybrider organischer-anorganischer Perowskite, die Halidionen wie Jod oder Brom enthalten – sind besonders für ihr unvergleichliches Potenzial zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom bekannt. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 ist die Effizienz dieser neuartigen Materialien kontinuierlich angestiegen, von einem Wirkungsgrad von 3,8 % auf über 25 %. Ihre Verwendung ist aus mehreren Gründen interessant. Die Bestandteile sind üppig vorhanden und Forschende können diese einfach mit Dünnschichtfilmen kombinieren, die eine stark kristalline Struktur haben, welche der mit Silizium-Wafern nach einer kostspieligen Hochtemperatur-Bearbeitung erreichten Struktur ähnelt. Dünne und flexible Rollen transparenter Perowskitschichten könnten eines Tags von einem 3D-Drucker abgespult werden, um leichte, farbige Solarpanels herzustellen, die in Fenster und Gebäudefassaden integriert werden – eine Eigenschaft, die mit Silizium-Solarzellen kaum machbar ist. Leider kann sich der Zustand von Metallhalogenid-Perowskiten schnell verschlechtern, da sie anfällig gegen Feuchtigkeit und Hitze sind. Abgesehen von der Stabilität hat sich die Toxizität von Blei als eine der größten Hürden erwiesen, die den Weg zur Kommerzialisierung von Perowskit versperrt. Das Marie-Skłodowska-Curie-finanzierte Projekt TinPSC wurde eingerichtet, um diese Herausforderungen anzugehen.

Bleifreie doppelte Perowskit-Strukturen

„Wir konzentrierten uns auf die Entwicklung bleifreier doppelter Perowskite, eine völlig neue Generation von Stoffverbindungen, in denen ein einwertiges Metall und ein dreiwertiges Metall das zweiwertige Blei ersetzen. Wir bauten auf erfolgreichen vorhergehenden Forschungsvorhaben auf, die in einem überaus stabilen Gerät mit exzellenten elektronischen Eigenschaften und Diffusionslängen von mehr als 100 nm resultiert hatten. Solche hohen Werte lassen darauf schließen, dass sich die Beschaffenheit und Tauglichkeit des Materials für eine Verwendung in der Optoelektronik anbietet“, bemerkt TinPSC-Koordinator Feng Wang. Im Fokus der Projektaktivitäten standen vor allem effektive Strategien zur Verkleinerung der Bandlücke doppelter Perowskite – ein gängiger Faktor, der die effektive Lichtabsorption einschränkt. Perowskite haben den Vorteil, dass die Forschenden die Energielücke beliebig einstellen können, indem die Bestandteilemischung adjustiert wird, um die Chancen auf eine Steigerung der Absorptionseffizienz zu erhöhen. „Wir erweiterten die Absorptionsgrenzen von Cs2AgBiBr6 mittels Cu-Dotierung erfolgreich auf den Nah-Infrarot-Bereich. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass sich die Cu-Dotierung schwach auf die Wertigkeit und Leitungsbänder der Wirtstrukturen auswirkt, jedoch mittelfrequente Bandlückenzustände einführt, die stark zur Infrarotabsorption anregen. Noch interessanter ist, dass der unterfrequente Bandlückenzustand durch eine Erregung im Nah-Infrarot-Bereich erhebliche Bandladungsträger erzeugen kann“, erklärt Wang. Die Forschenden erarbeiteten zudem eine Strategie für die Kristallzüchtung, um die Bandlücke des Materials zu modifizieren. „Durch die einfache Steuerung der Wachstumstemperatur und -geschwindigkeit des Kristalls verkleinerten wir die Bandlücke auf ein Rekordergebnis von 1,72 eV. Dies ist kleinste Bandlücke, die jemals unter Umgebungsbedingungen für Cs2AgBiBr6 verzeichnet wurde“, merkt Wang an. Die Verkleinerung der Bandlücke wurde durch Absorptions- und Photolumineszenzmessungen bestätigt.

Erhöhung der thermischen und Feuchtigkeitsstabilität

So wie jede Architektur von Solarzellen befindet sich eine Perowskit-Dünnschicht zwischen zwei Schichten für die Ladungsextraktion. Nachdem diese Licht ausgesetzt wurde, bewegen sich die im Perowskit-Gitter erzeugten Löcher und Elektronen in Richtung der äußeren Schichten, sodass elektrischer Strom entsteht. Die Transportschichten der Elektronen und Löcher haben zentrale Bedeutung für die Unterdrückung von Rekombinationsverlusten an den Grenzflächen, welche die Elektronen auf ihrem Weg zum Zellenausgang zum Entgleisen bringen. Die Stabilität der Transportschicht entscheidet größtenteils über die Stabilität der gesamten Solarzelle. Das Projektteam erarbeitete ein einzigartiges System, um die Lochtransportschicht vor Feuchtigkeit und Hitze zu schützen, wobei die meisten Details jedoch geheim gehalten werden. Laut dem Team sind die daraus resultierenden Perwoskit-Solarzellen weitaus stabiler im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik.

Schlüsselbegriffe

TinPSC, Perowskit, Solarzelle, Stabilität, bleifrei, Feuchtigkeit, Metallhalogenid-Perowskite, Silizium, Lochleitungsschicht

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22 Dezember 2020