Selbstorganisierte, molekulare Monolagen für effiziente Perowskit-Solarzellen
Das Molekül organisiert sich entlang der Oberfläche der Elektroden, bis eine geschlossene Monolage entsteht. © Saule Magomedoviene / HZB
“Self‐Assembled Hole Transporting Monolayer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells” , Cover der aktuellen Ausgabe Advanced Energy Materials. © Wiley/VCH
Ein Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden. Die Studie wurde in Advanced Energy Materials publiziert und ist auf dem Front-Cover des Journals erschienen.
In den letzten Jahren konnten Solarzellen auf der Basis von Metall-Halid Perowskiten einen einzigartigen Anstieg im Wirkungsgrad erzielen. Diese Materialien versprechen kostengünstige und flexible Solarzellen und können mit konventionellen PV-Materialien wie Silizium zu besonders effizienten Tandem-Solarzellen kombiniert werden. Ein wichtiger Schritt zur Industriereife ist die Entwicklung effizienter elektrischer Kontaktschichten, welche die Abscheidung von Perowskit-Schichten auf unterschiedlichen Substraten erlauben.
Moleküle bilden von selbst eine Monolage
Nun hat ein Team um den HZB-Physiker Dr. Steve Albrecht in Zusammenarbeit mit dem ehemaligen DAAD-Austauschstudenten Artiom Magomedov von der Kaunas University of Technology (KTU), Litauen, ein neuartiges selbstorganisierendes Monolagen-Molekül (engl. self-assembled monolayer, SAM) synthetisiert und erfolgreich als lochleitende Schicht in Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Das Molekül ist Carbazol-basiert und bindet sich durch eine Phosphonsäure-Gruppe an das Oxid der transparenten Elektrode. Dabei organisiert sich dieses Molekül selbstständig an der Elektrodenoberfläche, bis eine geschlossene Monolage entsteht. Diese ultradünne Schicht zeigt keine optischen Verluste und könnte durch die Selbstorganisation konform alle Oberflächen bedecken, also auch texturiertes Silizium in Tandemarchitekturen.
Minimaler Materialeinsatz - viele Optionen
Mit dieser Technik erreicht man einen äußerst geringen Materialverbrauch und die chemische Struktur der SAMs kann je nach Anwendungsgebiet angepasst werden. Damit könnten die SAMs auch als Modellsystem für zukünftige Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften oder des Perowskit-Wachstums dienen.
Neue SAMs am HZB-HySPRINT-Labor
Die Arbeiten fanden am HySPRINT-Labor des HZB statt, wo die Gruppe um Albrecht nun an einer neuen Generation von selbstorganisierenden Molekülen für Kontaktschichten forscht, mit denen die Solarzellen nunmehr Wirkungsgrade von über 21 % erreichen.
Anmeldung zum Patent
Da dieser Ansatz für Perowskit-Solarzellen noch nie vorher in Betracht gezogen wurde und potenziell für die industrielle Implementierung eine Rolle spielen kann, haben die Teams vom HZB und der KTU das Molekül und die Anwendung zur Patentanmeldung eingereicht. Da das wissenschaftliche Interesse für diese neue Kontaktmaterialklasse enorm ist, trägt die Fachzeitschrift in der aktuellen Ausgabe eine Abbildung zu der Veröffentlichung auf dem Front-Cover.
Publiziert in Advanced Energy Materials 2018: “Self‐Assembled Hole Transporting Monolayer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells”. Artiom Magomedov, Amran Al‐Ashouri, Ernestas Kasparavičius, Simona Strazdaite, Gediminas Niaura, Marko Jošt, Tadas Malinauskas, Steve Albrecht and Vytautas Getautis.
Doi: 10.1002/aenm.201870139
- BESSY II: Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und KatalysatorenWinzige biologische Proben und sogar einzelne Biomoleküle können nun an der BESSY-II-Infrarot-Beamline unter lebensnahen Bedingungen in höchster Auflösung untersucht werden. Die nanoskalige Infrarotspektroskopie (s-SNOM) wurde dafür verbessert und gründlich validiert. Ultradünne Membrane auf Siliziumbasis ermöglichen dabei die Untersuchung im wässrigen Medium. Ein internationales Team um den HZB-Experten Dr. Alexander Veber konnte nach einem ersten Proof-of-Concept nachweisen, dass Nano-IR-Messungen in wässriger Umgebung mit den erwarteten Fernfeld-IR-Spektren übereinstimmen. Dieser methodische Fortschritt ermöglicht nun tiefere Einblicke in Biomaterialien, aber auch die Beobachtung katalytischer Prozesse in flüssigen Umgebungen.
- Beschleunigerprojekt SEAlab: Abschluss und AusblickDas Beschleunigerprojekt SEAlab hat die letzte Messkampagne im Sommer 2026 erfolgreich abgeschlossen. Nun wird die Anlage zurückgebaut, viele Komponenten sollen weiterverwendet werden. Die beiden Beschleunigungsphysiker Axel Neumann und Thorsten Kamps erklären, was das Projekt erreicht hat, und geben einen Ausblick auf die Zukunft.
- BESSY II nimmt Betrieb nach Wartungspause wieder aufNach einer vierwöchigen Wartungspause ist der BESSY II-Beschleunigerkomplex seit Montag, 7. September 2026 wieder in Betrieb. BESSY II wird am 22. September den vollen Nutzerbetrieb wieder aufnehmen.