Monolithische Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zeichnen sich durch eine dünne Perowskit-Schicht aus. Diese kann mittels Co-Verdampfung von Vorläuferverbindungen, einem in der Industrie etablierten Verfahren, hergestellt werden. Als Lochtransportschicht für das Perowskit werden SAMs (Self-Assembled Monolayers) verwendet, das sind organische Moleküle, die sich selbstorganisiert zu einer Monoschicht anordnen. Allerdings müssen sowohl die SAM- als auch die Perowskit-Schicht möglichst gleichmäßig auf der Siliziumoberfläche ausgebildet werden. Das ist nicht ganz einfach, da die SAM keine perfekte Monoschicht ist und die Siliziumoberfläche Nanostrukturen aufweist, um mehr Licht einzufangen.
Schichten unter der Lupe
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat dieses Problem nun mithilfe verschiedener am HZB verfügbarer Methoden gründlich untersucht und eine Lösung entwickelt, die auch für die industrielle Produktion von Interesse ist.
Mithilfe eines Nahfeld-Rastersondenmikroskops (IR-s-SNOM) im Infrarotbereich an BESSY II identifizierten die Forschenden Bereiche mit unterschiedlicher Dicke innerhalb der SAM-Schicht, darunter Monoschichten, mehrere Schichten und Agglomerationen von SAM-Molekülen. Anschließend analysierten sie im Detail, wie sich SAM-Schichten auf planaren und industriell relevanten, texturierten Siliziumsubstraten bilden. Dabei zeigte sich, dass sich SAM-Moleküle in den Texturtälern ansammeln, was zu einer Schicht mit ungleichmäßiger Dicke führt.
Mithilfe der Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie (XPEEM) an BESSY II konnte das Team zudem das Wachstum des co-verdampften Perowskits auf verschiedenen Bereichen des SAM-beschichteten Siliziumsubstrats untersuchen. Diese Messungen zeigen, dass die Perowskit-Schicht die darunterliegenden Inhomogenitäten nicht ausgleichen kann und dass sich an der Grenzfläche zum Silizium das unerwünschte Bleiiodid bildet.
Eine Keimschicht bringt Ordnung ins Wachstum
Um dieses Problem zu lösen, brachten die Forschenden eine Schicht aus Cäsiumchlorid (CsCl) an der Grenzfläche auf. Diese fungiert als Keimschicht. „Diese Keimschicht ermöglicht das gleichmäßige Wachstum von Perowskit-Schichten auf texturiertem Silizium und verhindert die Bildung von Grenzflächenfehlern, die durch eine ungleichmäßige Bedeckung der Lochtransportschicht verursacht werden“, sagt Dr. Viktor Škorjanc, der die Veröffentlichung als Erstautor verfasste. Dadurch verbessert sich die Schichtqualität maßgeblich und der Wirkungsgrad der von Stefanie Severin angefertigten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen steigt auf 30,3 Prozent – ein herausragender Wert für im Verdampfungsverfahren hergestellte perowskitbasierte Tandemsolarzellen.
Das neue Vakuumverfahren kommt ohne Lösungsmittel aus. Dies dürfte auch die Stabilität der Tandemzellen verbessern, was für die Kommerzialisierung sehr wichtig ist. „Dies ist ein echter Fortschritt bei der Übertragung von Rekordwirkungsgraden aus dem Labor in zuverlässige, industriell herstellbare Tandem-Solartechnologien“, sagt Dr. Marcel Roß, Teamleiter für verdampfte Perowskit-Solarzellen am HZB.
