Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen

Ein neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.

Perowskit-Solarzellen sind nicht nur außergewöhnlich preisgünstig in der Herstellung, sondern erreichen auch sehr hohe Wirkungsgrade. So wandeln einzelne Perowskit-Zellen bereits über 27% des Sonnenlichts in elektrische Energie um, und Perowskit-Silizium-Tandemzellen schaffen sogar schon über 35%. Um Elektronen abzutransportieren, wurde bislang eine Schicht aus so genannten Fullerenen (C₆₀) verwendet, die auch unter dem Namen Fußballmoleküle bekannt sind. Allerdings geht an der Grenzfläche zwischen C₆₀ und dem Perowskit-Absorber ein erheblicher Teil der Ladungsträger verloren, außerdem sind C60-Materialien verhältnismäßig teuer und neigen dazu, sich mit der Zeit abzulösen (Delaminierung), was die Stabilität der Zelle beeinträchtigt.

Neues Material auf Basis von Carboran

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe von der Kaunas University of Technology (KTU) in Litauen sowie weiteren Partnern hat nun das Team um Professor Steve Albrecht am HZB ein völlig neues Material auf Carboran-Basis entwickelt. Es kann C60-Elektronentransportmaterialien nicht nur ersetzen, sondern ist in vieler Hinsicht deutlich überlegen. Das Material kann aus handelsüblichen Reagenzien hergestellt werden. Die Moleküle bestehen aus einem meta-Carboran-Kern mit zwei 9-Fluorenyliden-Malononitril-Funktionsgruppen (mCB-FMN).

Weniger Energie und Wärmestress

Die Abscheidung des dünnen Films aus der Gasphase gelingt im Vergleich zu C60 schon bei niedrigeren Temperaturen, so dass die Herstellung der Schicht nicht nur weniger Energie erfordert, sondern außerdem auch die benötigten Anlagen weniger thermisch belastet. Auf dem Perowskit-Absorber bildet das verdampfte mCB-FMN eine gleichmäßige Schicht.

Geringere Verluste, mehr Stabilität

Messungen der transienten Oberflächen-Photospannung (trSPV) und Photolumineszenz (PL) zeigen, dass diese Schicht den Abtransport von Elektronen sehr gut ermöglicht und an der Grenzfläche im Vergleich zu C₆₀ weniger Verluste auftreten. Eine Untersuchung mit He-I-Ultraviolett-Photoemissionsspektroskopie (He-UPS) ergab, dass die mCB-FMN-Schicht und die Perowskit-Absorberschicht energetisch gut aufeinander abgestimmt sind. Dichtefunktionaltheorie (DFT) Berechnungen legen nahe, dass Oberflächendefekte passiviert werden, was ein weiterer Grund für die niedrigeren Verluste sein könnte.

Elektronenmikroskopie und in-situ-Ellipsometrie während der Abscheidung der darüberliegenden SnOx-Pufferschicht zeigen, dass das neue ETM sogar das Filmwachstum verbessert. Mechanische Prüfungen belegen, dass das neue Material auch die Grenzflächenhaftung und damit auch die Stabilität innerhalb des Perowskit/ETM/SnOx-Schichtstapels erhöht.

Wirkungsgrad steigt deutlich

Im Ergebnis steigt der Wirkungsgrad einer p-i-n-Perowskit-Einzelzelle um 1,5% (absolut), wenn statt C60 das neue ETM eingebaut wird. Bei Perowskit-Silizium-Tandemzellen steigt der Wirkungsgrad im Vergleich zur Referenzzelle sogar um 2,4% (absolut), weil hier zusätzlich die geringere parasitäre Absorption dazu führt, dass mehr Licht die die photoaktiven Schichten erreicht.

„Wir haben damit einen sehr leistungsstarkes Fulleren-Ersatzmaterial für Perowskit-Solarzellen entwickelt und konnten mit vielen unterschiedlichen Messungen zeigen, welche Vorteile damit verbunden sind“, sagt Lea Zimmermann, Erstautorin der Studie.

Patentiert und auf den Markt gebracht 

Das neue Material hat sowohl in akademischen als auch in industriellen Kreisen bereits viel Interesse geweckt, und wurde beim TandemPV International Workshop 2025 als „Best Scientific Content Award“ ausgewählt. Parallel dazu wurde eine europäische Patentanmeldung eingereicht (EP 25175871.0), die mCB-FMN, dessen Derivate und deren Verwendung in Solarzellen abdeckt. „Die Firma Dyenamo hat dieses Material jetzt auf den Markt gebracht, so dass es breit eingesetzt werden kann“, erläutert Steve Albrecht.

Ausblick

Schon bei den lochleitenden Kontaktschichten auf der anderen Seite der Solarzelle konnte sein Team in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern mit den Self Assembling Monolayern (SAMs) einen Durchbruch erreichen. Nun streben sie das auch für die Elektronentransportschicht an: „Wir arbeiten nun mit Hochdruck an weiteren neuen Materialien dieser Klasse und denken, dass diese Material-Klasse auch die Tandem-Solarzellen revolutionieren könnte“, so Albrecht.