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
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.