Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM Doppelschicht

Perowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.

Perowskit-basierte Photovoltaikzellen können hohe Wirkungsgrade (PCE) erreichen. Kombiniert man zwei oder mehr unterschiedliche Perowskit-Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken zu einer Perowskit-Mehrfachsolarzelle, wird das Sonnenspektrum noch besser genutzt, so dass der Wirkungsgrad steigt. All-Perowskit-Mehrfachsolarzellen punkten nicht nur mit potenziell sehr niedrigen Herstellungskosten, sondern auch mit geringem Gewicht und der Option, sie auf flexiblen Trägerstrukturen aufzubringen.  

Ein komplexer "Big Mac" 

Das HZB-Team verwendete gleich drei verschiedene Perowskit-Absorber mit verschiedenen Bandlücken. Werden diese aufeinandergestapelt, entsteht eine sehr komplexe monolithische Perowskit-Dreifachsolarzelle. Der Fokus dieser Studie lag auf der Verbindungsschicht zwischen der mittleren und hinteren Perowskit-Teilzelle. „Das kann man sich wie einen Big Mac vorstellen, bei dem die drei Brötchen jeweils durch unterschiedliche Beläge getrennt sind. Hier wäre das der Belag zwischen dem mittleren und dem unteren Brötchen“, erklärt Prof. Dr. Steve Albrecht, der am HZB die Abteilung für Perowskit-Tandemsolarzellen leitet. Die hintere Absorberschicht besteht dabei aus einem Perowskit-Halbleiter mit niedriger Bandlücke auf Zinn-Blei-Basis. Die Wechselwirkung zwischen dieser Perowskit- und der Lochtransportschicht gilt als wichtigster Hebel, um Effizienz und Stabilität zu verbessern. Als Lochtransportschicht wird üblicherweise das Polymer PEDOT:PSS, verwendet, allerdings führt dies zu Verlusten durch Absorptionsprozesse und auch die Stabilität lässt noch zu wünschen.

Lochleitung verbessert

„Wir haben dann systematisch den Einfluss verschiedener Lochleiterschichten auf die Eigenschaften von Zinn-Blei-Perowskiten, und damit auch auf die neuartigen Dreifachsolarzellen, untersucht“, sagt Dr. Philipp Tockhorn, Gruppenleiter am HZB. „In bleibasierten Perowskitsolarzellen hatten wir bereits sehr erfolgreich so genannte Selbstorganisierte Monoschichten (SAMs) als lochleitende Kontaktschichten etabliert, daher lag es nahe, diese auch in Zinn-Blei-Perowskiten und Dreifachzellen verwenden“, sagt Kevin Prince, geteilter Erstautor der Studie und Postdoc am HZB. SAMs bestehen aus größeren organischen Molekülen, welche sich bei der Herstellung der Schicht wie von selbst zu einer Monolage anordnen. SAMs allein funktionieren jedoch in diesen Zinn-Blei-Perowskiten nicht so gut, da der Abtransport der Lochladungen ineffizient ist. „Daher experimentierten wir mit weiteren Schichten als einer Art Unterlage unter der SAM-Schicht“, erklärt Yeonghun Yun, ebenfalls Erstautor und Postdoc im Team. Schließlich stellten sie fest: eine Lage Graphenoxid (GO) unter der SAM-Schicht verbessert die Grenzfläche morphologisch und elektronisch und ermöglicht dadurch einen effizienteren Ladungstransport.

Effizienz und Stabilität gesteigert

Das Team führte daher die GO/SAM-Doppelschicht anstelle einer herkömmlichen PEDOT:PSS-Schicht in eine Perowskit-Dreifachsolarzelle ein. Dadurch wurden auch die optischen Verluste deutlich verringert. „Wir konnten mit den Dreifach-Solarzellen eine Effizienz von 27,3 % erreichen, das gehört zu den höchsten Werten für diese Technologie“, sagt Albrecht. Darüber hinaus bewiesen sich die Dreifachsolarzellen mit GO/SAM auch im Dauerbetrieb: Noch nach 770 Stunden Dauerbetrieb behielten sie über 90 % ihres ursprünglichen Wirkungsgrads, eine Rekordstabilität für diese Solarzellenarchitektur. „Unsere Analysen deuten darauf hin, dass sich mit dieser Architektur die Effizienz auf über 30 % steigern lässt, wenn wir die Qualität der einzelnen Perowskitschichten und Verbindungsschichten noch weiter verbessern“, sagt Albrecht.