BESSY II: Aufgedampfte Perowskit-Schichten in Tandem-Solarzellen verbessert
Die Studie belegt, dass eine Cäsium-Chlorid-Keimschicht das Wachstum der aufgedampften Perowskit-Schicht verbessert und die Abscheidung von Bleijodid vermindert. Unter dem Rasterelektronenmikroskop wird sichtbar, dass Perowskit-Schichten ohne Keimschicht (links) sehr kleinkörnig und defektreich wachsen, während sie über einer Cäsium-Chlorid-Keimschicht (rechts) mit deutlich weniger Defekten und größeren Kristallkörnern aufwachsen. © HZB
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.
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- Neues Verfahren kann MRT-Bildgebung künftig präziser machenEin Team aus Universität Stuttgart und HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, das Aufnahmen im MRT künftig noch präziser machen kann. Dazu eliminierten die Forschenden einen entscheidenden Störfaktor im Messverfahren: die sogenannte Totzeit. Dadurch können Signale erfasst werden, die bei herkömmlichen Verfahren verloren gehen. Das Verfahren eröffnet neue Perspektiven für die medizinische Diagnostik und zerstörungsfreie Untersuchungen von Werkstoffen. Der neue Ansatz ist in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.
- Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegenUltradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.