Graphen als Frontkontakt für Silizium-Perowskit-Tandem-Solarzellen
Die Tandem-Solarzelle besteht (von unten nach oben, wie der Lichteinfall) aus der Perowskit-Schicht (schwarz, 200-300 nm), Spiro.OMeTAD (beige, 200-300 nm), Graphen (am Rand mit Gold kontaktiert), einem Glasträger sowie der aSi-cSi-Schicht (lila). © F. Lang / HZB
Ein Team aus dem Institut für Silizium-Photovoltaik des Helmholtz-Zentrums Berlin hat ein neues und raffiniertes Verfahren entwickelt, um die empfindliche Perowskit-Schicht erstmals mit Graphen zu beschichten. Mit anschließenden Messungen konnten sie belegen, dass Graphen ideal als Frontkontakt geeignet ist.
Nun hat eine Gruppe um Prof. Norbert Nickel eine neue Lösung vorgestellt: Dr. Marc Gluba und Doktorand Felix Lang haben ein Verfahren entwickelt, um die Perowskit-Schicht gleichmäßig mit Graphen zu bedecken; Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die sich zu einem zweidimensionalen Netz aus „Bienenwaben“ anordnen und einen extrem dünnen Film bilden, der hoch leitfähig und vollkommen transparent ist.
Mehrstufiger Prozess:
Im ersten Schritt lassen die Wissenschaftler das Graphen aus einer Methanatmosphäre bei etwa 1000 Grad Celsius auf einer Kupferfolie aufwachsen. Für das weitere Vorgehen stabilisieren sie die empfindliche Schicht mit einem Lack, der das Graphen vor Zerreißen schützt. Denn im folgenden Schritt ätzt Felix Lang die Kupferfolie weg. So kann er im Anschluss die nun freistehende Graphen/Lack Schicht auf das Perovskit übertragen. „Dies wird normalerweise in Wasser gemacht, die Solarzelle fischt dann sozusagen die auf der Oberfläche schwimmende Graphenfolie auf. In diesem Fall ging das aber nicht, denn Perowskit ist höchst wasserempfindlich. Wir mußten daher eine andere Flüssigkeit finden, die das Perowskit nicht angreift und dennoch möglichst wasserähnlich ist“, erklärt Gluba.
Graphen ideal geeignet:
Dass die Graphenschicht in mehreren Hinsichten ein idealer Frontkontakt ist, zeigten die anschließenden Messungen: Wegen der nahezu vollständigen Transparenz geht kein Sonnenlicht für die Energieumwandlung verloren. Vor allem aber gibt es keine Einbußen bei der Leerlaufspannung, wie es beim Aufsputtern von ITO der Fall ist. „Diese Lösung ist in der Handhabung vergleichsweise einfach und günstig“, sagt Norbert Nickel. „Uns ist es damit gelungen, zum ersten Mal Graphen direkt auf eine Perowskit-Solarzelle zu übertragen und so eine hoch effiziente Tandemzelle mit einem transparenten Frontkontakt aus Graphen zu realisieren.“
Journal of Physical Chemistry Letters: Perovskite Solar Cells with Large-Area CVD-Graphene for Tandem Solar Cells; Felix Lang, Marc A. Gluba, Steve Albrecht, Jörg Rappich, Lars Korte, Bernd Rech, and Norbert H. Nickel
J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6 (14), pp 2745–2750
DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b01177
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Marcel Risch wird Professor an der Freien Universität BerlinSeit August 2026 ist Marcel Risch Professor (W2-S) im Fachbereich Physik an der Freien Universität Berlin. Seine Nachwuchsgruppe wird zur Abteilung Mechanismen nachhaltiger Elektrokatalyse. Risch erforscht die fundamentalen Mechanismen elektrokatalytischer Reaktionen und entwickelt auf dieser Grundlage wissens- und datengetriebene Strategien zur Verbesserung von Elektrokatalysatoren für die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff, Kraftstoffen und Chemikalien.