BESSY II: Aufgedampfte Perowskit-Schichten in Tandem-Solarzellen verbessert

Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade als reine Silizium-Solarzellen. Ein besonders attraktives Verfahren, um diese Tandem-Solarzellen zu produzieren, ist die Co-Verdampfung der Perowskit-Vorläufermoleküle auf die Silizium-Teilzelle. Ein Team am HZB hat nun das Schichtwachstum auf Nanometerskala an BESSY II analysiert und einen neuen Weg gefunden, die Qualität der Perowskit-Schicht zu verbessern: Das Einbringen einer dünnen Keimschicht aus Cäsiumchlorid zwischen die beiden Teilzellen fördert ein gleichmäßiges Perowskit-Wachstum und unterdrückt die Bildung von unerwünschtem Bleijodid an der Grenzfläche.

Monolithische Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zeichnen sich durch eine dünne Perowskit-Schicht aus, die über eine Co-Verdampfung von Vorläuferverbindungen hergestellt werden kann – einem in der Industrie etablierten Verfahren. Als Lochtransportschicht für das Perowskit werden sogenannte SAMs verwendet, organische Moleküle, die sich selbstorganisiert zu einer Monoschicht anordnen. Allerdings müssen sowohl die SAM- als auch die Perowskit-Schicht möglichst gleichmäßig auf der Siliziumoberfläche ausbilden. Nicht ganz einfach, da die SAM keine perfekte Monoschicht ist und die Siliziumoberfläche Nanostrukturen aufweist, um mehr Licht einzufangen.

Problem erkannt 

Am HZB hat ein Team dieses Problem nun mithilfe verschiedener Methoden, die alle am HZB zur Verfügung stehen, gründlich untersucht und eine Lösung entwickelt, die auch für die industrielle Produktion von Interesse ist.

Mithilfe eines Nahfeld-Rastersondenmikroskops (IR-s-SNOM) im Infrarotbereich an BESSY II identifizierten sie Bereiche mit unterschiedlicher Dicke innerhalb der SAM-Schicht, darunter Monoschichten, mehrere Schichten und Agglomerationen von SAM-Molekülen. Dann analysierten sie im Detail, wie sich SAM-Schichten auf planaren und industriell relevanten, texturierten Siliziumsubstraten bilden. Dabei zeigte sich, dass sich SAM-Moleküle in den Texturtälern ansammeln, was zu einer Schicht mit ungleichmäßiger Dicke führt.

Mithilfe der Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie (XPEEM) an BESSY II konnte das Team das Wachstum des co-verdampften Perowskits auf verschiedenen Bereichen des SAM-beschichteten Siliziumsubstrats untersuchen. Diese Messungen zeigen, dass die Perowskit-Schicht die darunterliegenden Inhomogenitäten nicht ausgleichen kann und dass sich an der Grenzfläche zum Silizium unerwünschtes Bleiiodid bildet.

Problem gelöst

Um dieses Problem zu lösen, brachten die Forschenden eine Schicht aus Cäsiumchlorid (CsCl) an der Grenzfläche auf, die als Keimschicht fungiert. „Diese Keimschicht ermöglicht das gleichmäßige Wachstum von Perowskit-Schichten auf texturiertem Silizium und verhindert die Bildung von Grenzflächenfehlern, die durch eine ungleichmäßige Bedeckung der Lochtransportschicht verursacht werden“, sagt Dr. Viktor Škorjanc, Erstautor der Veröffentlichung. Infolgedessen verbessert sich die Schichtqualität maßgeblich und der Wirkungsgrad der von Stefanie Severin angefertigten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen steigt auf 30,3 Prozent – ein herausragender Wert für perowskitbasierte Tandemsolarzellen, die im Verdampfungsverfahren hergestellt werden.

Das neue Vakuumverfahren kommt ohne Lösungsmittel aus. Dies dürfte auch die Stabilität der Tandemzellen verbessern, was für die Kommerzialisierung sehr wichtig ist. „Dies ist ein echter Fortschritt bei der Übertragung von Rekordwirkungsgraden aus dem Labor in zuverlässige, industriell herstellbare Tandem-Solartechnologien“, sagt Dr. Marcel Roß, Teamleiter für verdampfte Perowskit-Solarzellen am HZB.