Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigert

Perowskit-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.

„Wir haben eine Fluorverbindung verwendet, die zwischen die Perowskitschicht und der Buckyball-Kontaktschicht (C₆₀) gleitet und dort einen fast monomolekularen Film bildet“, erklärt Abate. Diese teflonartigen Moleküle isolieren die Perowskitschicht chemisch von der Kontaktschicht, was zu weniger Defekten und Verlusten führt. Darüber hinaus erhöht die Zwischenschicht die strukturelle Stabilität beider Schichten, aber ganz besonders in der C60-Schicht. Dadurch wird diese gleichmäßiger und kompakter. „Es ist eigentlich wie der Teflon-Effekt“, sagt Abate. „Die Zwischenschicht bildet eine chemische Barriere, die Defekte verhindert, während der Ladungstransport weiterhin möglich bleibt.“

Ein Großteil der experimentellen Forschung wurde vom Erstautor Guixiang Li durchgeführt, während er als Doktorand in Abates Team tätig war. Guixiang Li ist heute Professor an der Southeast University in Nanjing, China, und setzt die Zusammenarbeit fort. An der Studie waren auch Teams der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Imperial College London beteiligt.

Hoher und stabiler Wirkungsgrad 

Mit diesem Ansatz können Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 27 Prozent im Labormaßstab erreichen, was etwas höher ist als der Wirkungsgrad von 26 Prozent ohne Zwischenschicht. Die Steigerung der Stabilität ist enorm: Selbst nach 1.200 Stunden kontinuierlicher Beleuchtung durch eine „Standard-Sonne“ nimmt dieser hohe Wirkungsgrad nicht ab. „1.200 Stunden entsprechen einem Jahr im Außenbereich“, betont Abate. Bei der Vergleichszelle ohne „Teflonschicht“ sank der Wirkungsgrad bereits nach 300 Stunden um 20 Prozent. Die Beschichtung verleiht der Solarzelle auch eine außergewöhnliche thermische Stabilität, wenn sie 1.800 Stunden lang bei 85 °C gealtert und 200 Zyklen zwischen –40 °C und +85 °C getestet wird. Die hier vorgestellten Perowskit-Solarzellen haben eine invertierte (p-i-n) Struktur, die sich besonders gut für den Einsatz in Tandemzellen eignet, beispielsweise in Kombination mit Siliziumzellen.

Die Idee reicht lang zurück

„Die Idee, solche teflonartigen Moleküle zur Bildung einer Zwischenschicht zu verwenden, beschäftigt mich seit meiner Zeit als Postdoktorand im Labor von Henry Snaith, der Pionierarbeit auf dem Gebiet der Perowskit-Materialien geleistet hat. Damals, im Jahr 2014, lag der Wirkungsgrad bei nur 15 Prozent und sank innerhalb weniger Stunden deutlich. Wir haben enorme Fortschritte gemacht“, sagt Abate. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für die nächste Generation hocheffizienter und hochstabiler optoelektronischer Bauelemente auf Perowskitbasis.