Bleifreie Perowskit-Solarzellen – Wie Fluor-Additive die Qualität verbessern

Die Beigabe von Fluor-Additiven steigert die Qualität der Perowskit-Schicht. Analysen an BESSY II zeigen nun, warum.

Die Beigabe von Fluor-Additiven steigert die Qualität der Perowskit-Schicht. Analysen an BESSY II zeigen nun, warum. © M. Künsting/HZB

Zinnhalogenid-Perowskite gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Analogen, sind jedoch im Vergleich zu diesen noch deutlich weniger effizient und stabil. Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate aus dem HZB die chemischen Prozesse in der Perowskit-Vorläuferlösung und deren Fluoridchemie eingehend analysiert. Durch eine raffinierte Kombination von Messmethoden an BESSY II mit Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass Fluorid die Oxidation von Zinn verhindert, was zu einer homogeneren Filmbildung mit weniger Defekten führt und die Qualität der Halbleiterschicht erhöht.

Blei-Halogenid-Perowskit-Solarzellen versprechen sehr hohe Wirkungsgrade zu geringen Herstellungskosten. Die Toxizität von Blei wirft jedoch ernsthafte Umweltprobleme auf. Die Suche nach bleifreien Alternativen ist in vollem Gang. Zinn gilt derzeit als die beste Wahl, neigt aber zur Oxidation und unkontrollierten Kristallisation, was die Fertigung, Leistung und Stabilität der Solarzellen einschränkt.

Zinnfluorid hilft

Eine der gängigsten Strategien, um Zinn-basierte Perowskit-Schichten guter Qualität zu erhalten, besteht in der Verwendung von Zinnfluorid (SnF2) als Additiv im lösungsbasierten Herstellungsprozess. Viele Studien zeigen, dass SnF2 die optoelektronischen und morphologischen Eigenschaften der Perowskit-Schichten verbessert. Warum dieses Additiv jedoch diese Wirkung hat, wurde bislang nicht ausreichend beleuchtet.

Chemische Rolle aufgeklärt

Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate erstmals die chemische Rolle von SnF2 in der Perowskit-Vorläuferlösung aufgeklärt, die für diese Verbesserungen verantwortlich ist. Der Schlüssel liegt in den chemischen Eigenschaften der Fluoridanionen. Zinn oxidiert leicht von Sn(II) zu Sn(IV) und erzeugt in dieser Form Defekte in der Halbleiterschicht. Ergebnisse der Kernspinresonanz-Analyse zeigten nun, dass die Fluoridanionen aus SnF2 eine starke Affinität zu Sn(IV) aufweisen und die Verbindung SnF4 bilden. Mit Photoelektronenspektroskopie an BESSY II konnte das Team nachweisen, dass SnF4 eine geringere Tendenz zeigt, in die Perowskit-Struktur eingelagert zu werden. Dadurch wird der Sn(IV)-Gehalt in der Dünnschicht deutlich reduziert. Schließlich zeigten Messungen der Röntgen-Kleinwinkelstreuung an BESSY II, dass das Fluorid den Keimbildungsprozess in der Vorläuferlösung positiv beeinflusst und so die Kristallisation verbessert.

Homogeneres Ergebnis

„Vereinfacht gesagt binden Fluoridanionen oxidiertes Sn(IV) in der Lösung, als SnF4. Die verminderte Bindungsbereitschaft dieses Materials an perowskitähnliche Spezies verhindert seinen Einschluss in den Perowskitfilm“, sagt Jorge Pascual, ein Postdoc aus Abates Gruppe, der an Zinnhalogenid-Perowskiten forscht. „Darüber hinaus verbessert Fluorid die Kolloidstabilität von Zinnhalogenid-Perowskit-Vorläuferlösungen, wobei die Vorläufer-Untereinheiten eine gleichmäßiger verteilte Vorordnung bilden, was zu einem homogeneren Kristallwachstum führt.“, erläutert Marion Flatken, die die Untersuchungen als Teil ihrer Promotion durchführte.

Diese Ergebnisse kommen zur richtigen Zeit. Auf Basis dieser Studie könnten sich noch andere  Additive finden lassen, mit denen die Eigenschaften von bleifreien Perowskit-Solarzellen gezielt weiter verbessert werden.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB schafft erneut Weltrekord bei CIGS-Pero-Tandemsolarzellen
    Nachricht
    04.02.2025
    HZB schafft erneut Weltrekord bei CIGS-Pero-Tandemsolarzellen
    Durch die Kombination von zwei Halbleiterdünnschichten zu einer Tandemsolarzelle sind hohe Wirkungsgrade bei minimalem ökologischem Fußabdruck erreichbar. Teams aus dem HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun eine Tandemzelle aus CIGS und Perowskit vorgestellt, die mit einem Wirkungsgrad von 24,6 % den neuen Weltrekord hält. Dieser Wert wurde durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zertifiziert.
  • Vortragsreihe zu BIPV auf der Inolope Expo 2025
    Nachricht
    04.02.2025
    Vortragsreihe zu BIPV auf der Inolope Expo 2025
    Das Helmholtz-Zentrum Berlin und BAIP - Beratungsstelle für Bauwerkintegrierte Photovoltaik sind Partner der Inolope Expo 2025 – der Business-Plattform für innovative Gebäudehüllen.

    An unserem Stand 7.F02 laden wir zu Gesprächen  und Informationen zu BIPV ein. An zwei Tagen präsentieren wir praxisorientierte Vorträge zum Thema bauwerkintegrierte Photovoltaik und Insights zu unserem Real-labor Testinghalle. Hier erfahren Sie, wie Sie mit solarer Architektur auf innovative, ästhetische und nachhaltige Weise gestalten.

  • Nanoinseln auf Silizium mit schaltbaren topologischen Texturen
    Science Highlight
    20.01.2025
    Nanoinseln auf Silizium mit schaltbaren topologischen Texturen
    Nanostrukturen mit spezifischen elektromagnetischen Texturen versprechen Anwendungsmöglichkeiten für die Nanoelektronik und zukünftige Informationstechnologien. Es ist jedoch sehr schwierig, solche Texturen zu kontrollieren. Nun hat ein Team am HZB eine bestimmte Klasse von Nanoinseln auf Silizium mit chiralen, wirbelnden polaren Texturen untersucht, die durch ein externes elektrisches Feld stabilisiert und sogar reversibel umgeschaltet werden können.