Perowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um – darüber hinaus sind sie günstig und sehr leicht. Ein Team des HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt.
Perowskit-basierte Photovoltaikzellen können hohe Wirkungsgrade (PCE) erreichen und werden zwei oder mehr unterschiedliche Perowskit-Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken zu einer Perowskit-Mehrfachsolarzelle kombiniert, wird das Sonnenspektrum noch besser genutzt, sodass der Wirkungsgrad steigt. All-Perowskit-Mehrfachsolarzellen überzeugen nicht nur durch ihre potenziell sehr niedrigen Herstellungskosten, sondern auch durch ihr geringes Gewicht und die Möglichkeit, sie auf flexiblen Trägerstrukturen aufzubringen.
Drei Absorber, eine monolithische Zelle
Das HZB-Team verwendete gleich drei verschiedene Perowskit-Absorber mit verschiedenen Bandlücken. Werden diese aufeinandergestapelt, entsteht eine sehr komplexe monolithische Perowskit-Dreifachsolarzelle. Der Fokus dieser Studie lag auf der Verbindungsschicht zwischen der mittleren und der hinteren Perowskit-Teilzelle. „Das kann man sich wie einen Big Mac vorstellen, bei dem die drei Brötchen jeweils durch unterschiedliche Beläge getrennt sind. Hier wäre das der Belag zwischen dem mittleren und dem unteren Brötchen“, erklärt Prof. Dr. Steve Albrecht, der die Abteilung für Perowskit-Tandemsolarzellen am HZB leitet.
Die hintere Absorberschicht besteht dabei aus einem Perowskit-Halbleiter mit niedriger Bandlücke auf Zinn-Blei-Basis. Die Wechselwirkung zwischen dieser Perowskit-Schicht und der Lochtransportschicht gilt als wichtigster Faktor, um die Effizienz und Stabilität zu verbessern. Als Lochtransportschicht wird üblicherweise das Polymer PEDOT:PSS verwendet. Dies führt jedoch zu Verlusten durch Absorptionsprozesse und die Stabilität ist ebenfalls verbesserungswürdig.
Systematische Suche nach der besseren Lösung
„Wir haben dann systematisch den Einfluss verschiedener Lochleiterschichten auf die Eigenschaften von Zinn-Blei-Perowskiten, und damit auch auf die neuartigen Dreifachsolarzellen, untersucht“, sagt Dr. Philipp Tockhorn, Gruppenleiter am HZB. „In bleibasierten Perowskitsolarzellen hatten wir bereits sehr erfolgreich so genannte Selbstorganisierte Monoschichten (SAMs) als lochleitende Kontaktschichten etabliert, daher lag es nahe, diese auch in Zinn-Blei-Perowskiten und Dreifachzellen verwenden“, sagt Kevin Prince, geteilter Erstautor der Studie und Postdoc am HZB.
SAMs bestehen aus größeren organischen Molekülen, die sich bei der Herstellung der Schicht wie von selbst zu einer Monolage anordnen. In diesen Zinn-Blei-Perowskiten funktionieren SAMs jedoch nicht so gut allein, da der Abtransport der Lochladungen ineffizient ist. „Daher experimentierten wir mit weiteren Schichten als einer Art Unterlage unter der SAM-Schicht“, erklärt Yeonghun Yun, ebenfalls Erstautor und Postdoc im Team. Schließlich stellten sie fest, dass eine Lage Graphenoxid (GO) unter der SAM-Schicht die Grenzfläche sowohl morphologisch als auch elektronisch verbessert und dadurch einen effizienteren Ladungstransport ermöglicht.
27,3 Prozent Wirkungsgrad und weniger optische Verluste
Das Team führte daher die GO/SAM-Doppelschicht anstelle einer herkömmlichen PEDOT:PSS-Schicht in eine Perowskit-Dreifachsolarzelle ein. Dadurch wurden auch die optischen Verluste deutlich verringert. „Wir konnten mit den Dreifach-Solarzellen eine Effizienz von 27,3 Prozent erreichen, das gehört zu den höchsten Werten für diese Technologie“, sagt Albrecht.
Darüber hinaus bewiesen sich die Dreifachsolarzellen mit GO/SAM auch im Dauerbetrieb: Noch nach 770 Stunden Dauerbetrieb behielten sie über 90 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrads, eine Rekordstabilität für diese Solarzellenarchitektur. „Unsere Analysen deuten darauf hin, dass sich mit dieser Architektur die Effizienz auf über 30 Prozent steigern lässt, wenn wir die Qualität der einzelnen Perowskitschichten und Verbindungsschichten noch weiter verbessern“, sagt Albrecht.
