Perowskit trifft Silizium – und die Industrie horcht auf

Perowskit-Silizium-Solarzellen verbinden zwei Halbleiter, die unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts nutzen. Die obere Perowskit-Schicht nimmt vor allem energiereiches, also kurzwelliges Licht auf, während die darunterliegende Siliziumzelle vorwiegend die längerwelligen Anteile verwertet. Dadurch können Tandem-Solarzellen mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln als reine Siliziumzellen. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, die dünne Perowskit-Schicht großflächig, gleichmäßig und schnell aufzubringen.

„Für die industrielle Fertigung zählt nicht nur der Wirkungsgrad, sondern auch, ob ein Prozess schnell, robust und skalierbar ist”, sagt Professor Ulrich Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik und vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Wir konnten zeigen, dass ein besonders schneller Vakuumprozess nicht nur gleichmäßige Schichten erzeugt, sondern daraus auch effiziente Perowskit-Silizium-Solarzellen entstehen.“

Das CSS-Verfahren beschleunigt die Beschichtung

Der schnelle Vakuumprozess beruht auf der Close-Space-Sublimation, kurz CSS. Dabei verdampfen die Ausgangsstoffe und treffen auf die nur wenige Millimeter von der Materialquelle entfernte Siliziumzelle. Dort reagieren sie direkt zu einer Perowskit-Schicht. Ein wichtiger Vorteil des CSS-Verfahrens ist der geringe Verbrauch des Ausgangsmaterials pro Beschichtung sowie die Wiederverwendbarkeit der Quellen.

„Mit der Close-Space-Sublimation konnten wir auch die anspruchsvollen organischen Ausgangsmaterialien ohne Lösungsmittel und in kurzer Zeit auf Silizium aufbringen“, erläutert Sofia Chozas-Barrientos, Co-Autorin der Studie von der Universität Valencia. „Im Experiment war die Umwandlung nach zehn Minuten abgeschlossen – für ein Vakuumverfahren ist das ein wichtiger Fortschritt.“

Materialzusammensetzung stellt Bandlücke ein

Neben einer gleichmäßigen Beschichtung muss die obere Perowskit-Schicht auch die passenden Lichtanteile aufnehmen können. Diese Eigenschaft wird über die Bandlücke des Materials gesteuert. In der oberen Teilzelle muss die Bandlücke größer sein, damit sie wie ein Filter die jeweils richtigen Lichtanteile absorbieren und transmittieren kann. So sind Perowskit und Silizium effizient aufeinander abgestimmt. Da Brom die Bandlücke vergrößern kann, testeten die Forschenden zunächst eine bromhaltige anorganische Vorläuferschicht. Bei der Umwandlung zum Perowskit blieb der gewünschte Anteil im Material jedoch nicht erhalten.

„Die Lösung war eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid”, erklärt Co-Autor Dr. Alexander Diercks vom LTI. Er verbrachte im Rahmen der Zusammenarbeit im Horizon-Europe-Projekt Nexus sechs Monate für seine Doktorarbeit in der Gruppe von Professor Henk Bolink an der Universität Valencia. „Über das Verhältnis dieser beiden Bestandteile konnten wir den Bromanteil im fertigen Material kontrollieren und eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt erreichen.“

Ein Schritt in Richtung industrielle Produktion

Für eine industrielle Fertigung muss der CSS-Prozess jedoch auf unterschiedlichen Siliziumoberflächen funktionieren. Dazu zählen auch strukturierte Oberflächen, da sie den Weg des Lichts in der Zelle verlängern und somit die Absorption erhöhen. Die Forschenden testeten den CSS-Prozess daher auf Siliziumunterzellen mit glatter, nano- und mikrostrukturierter Oberfläche. Auf allen drei Oberflächen entstanden vergleichbare Perowskit-Schichten, ohne dass die Prozessparameter angepasst werden mussten. Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalysen zeigten eine gleichmäßige Bedeckung. Die damit hergestellten Tandemsolarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 23,5 Prozent auf glatten, 23,7 Prozent auf nanostrukturierten und 24,3 Prozent auf mikrostrukturierten Siliziumzellen.

„Für die Skalierung ist das sehr wichtig“, erläutert Professor Henk Bolink. „Ein Verfahren, das nur auf perfekt glatten Oberflächen funktioniert, wäre für industrielle Anwendungen nur begrenzt nutzbar. Dass die Close-Space-Sublimation auch auf strukturierten Siliziumzellen gleichmäßige Schichten erzeugt, macht den Ansatz relevant für die Praxis.“ Die Studie entstand im Rahmen einer engen Kooperation der Forschungsgruppen am KIT und an der Universität Valencia. Beteiligt waren außerdem das CONICET-UNL in Argentinien sowie die Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN in Frankreich.