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.

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.

arö