Perowskit-Solarzellen: Was geschieht an SAM-Passivierungsschichten?
Die SAM-Schicht zwischen dem Perowskit-Halbleiter und dem ITO-Kontakt besteht aus einer einzigen Lage aus organischen Molekülen. Messungen von Oberflächenphotospannung und Photolumineszenz zeigen, über welche Mechanismen die SAM-Schicht Verluste reduziert. © HZB
Metall-organische Perowskit-Materialien versprechen kostengünstige und leistungsstarke Solarzellen. Einer Gruppe am HZB ist es nun gelungen, verschiedene Effekte genauer zu unterscheiden, die an einer SAM-Passivierungsschicht auftreten und die Verluste an den Grenzflächen verringern. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, solche funktionalen Zwischenschichten zu optimieren.
Verluste treten in allen Solarzellen auf. Eine Ursache ist die Rekombination von Ladungsträgern an den Grenzflächen. Zwischenschichten an solchen Grenzflächen können diese Verluste durch sogenannte Passivierung verringern. Besonders gut für die Passivierung von Perowskit-Halbleiteroberflächen eignen sich selbstorganisierte Monolagen (SAMs) aus organischen Molekülen mit einem Carbazol-Kern. Das hat ein Team um den HZB-Physiker Prof. Steve Albrecht mit einer Gruppe der Technischen Universität Kaunas in Litauen bereits vor einiger Zeit gezeigt und damit eine Silizium-Perowskit-Tandemsolarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von über 29 Prozent entwickelt.
Nun hat eine Gruppe am HZB erstmals die Ladungsträgerdynamik an der Perowskit/SAM-modifizierten ITO-Grenzfläche genauer analysiert. Aus zeitaufgelösten Messungen der Oberflächenphotospannung konnten sie mit Hilfe eines kinetischen Modells die Dichte von "Elektronenfallen" an der Grenzfläche sowie die Lochtransferraten extrahieren. Ergänzende Informationen lieferte die Messung der zeitaufgelösten Photolumineszenz.
„Wir konnten Unterschiede in der Passivierungsqualität, der Selektivität und den Lochtransferraten in Abhängigkeit von der Struktur des SAMs feststellen“, erklärt Dr. Igal Levine, Postdoc am HZB und Erstautor der Arbeit. „Wir haben gezeigt, dass wir damit eine relativ einfache Technik zur Verfügung haben, um die Ladungsextraktion an vergrabenen Grenzflächen zu quantifizieren.“ Das könnte das Design idealer ladungsselektiver Kontakte künftig erheblich erleichtern.
- Neues HZB-Magazin „Lichtblick“ ist erschienenIn der neuen Ausgabe stellen wir unsere neue kaufmännische Geschäftsführerin vor. Wir zeigen aber auch, wie wichtig uns der Austausch ist: Die Wissenschaft lebt ohnehin vom fruchtbaren Austausch. Uns ist aber auch der Dialog mit der Öffentlichkeit sehr wichtig. Und ebenso kann Kunst einen bereichernden Zugang zur Wissenschaft schaffen und Brücken bauen. Um all diese Themen geht es in der neuen Ausgabe der Lichtblick.
- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.