Perowskit-Zellen gleichauf mit Silizium

Forscher verbessern Effizienz von Solarzellen der nächsten Generation

Perowskite sind zwar weit vorne beim Ersatz von Silizium als Material der Wahl für Solarzellen. Sie bieten das Potenzial für die kostengünstige Herstellung ultradünner, leichter und flexibler Zellen bei niedrigen Temperaturen; aber bisher blieb ihre Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom hinter der von Silizium und einigen anderen Stoffen zurück. Jetzt hat einer Medienmitteilung zufolge ein neuer Ansatz für das Design von Perowskit-Zellen von Wissenschaftlern des MIT, aus Atlanta, Georgia und Südkorea dazu geführt, dass das Material den Wirkungsgrad einer typischen Siliziumzelle von 20 bis 22 Prozent erreicht oder sogar übertrifft, und damit die Grundlage für weitere Verbesserungen geschaffen.

Perowskit-Photovoltaik im Hintergrund, wobei einzelne Perowskit-Kristalle als bunte Einheiten dargestellt sind – Bild © CUBE3D Grafik, MIT, creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0

Durch das Hinzufügen einer speziell behandelten leitenden Schicht aus Zinndioxid, die an das Perowskit-Material gebunden ist und einen verbesserten Pfad für die Ladungsträger in der Zelle bietet, und durch die Modifizierung der Perowskit-Formel haben die Forscher den Gesamtwirkungsgrad als Solarzelle auf 25,2 Prozent erhöht – ein Beinahe-Rekord für solche Materialien, der die Effizienz vieler bestehender Solarzellen in den Schatten stellt. (Im Vergleich zu Silizium haben Perowskite jedoch noch einen erheblichen Nachteil in Bezug auf die Langlebigkeit, eine Herausforderung, an der Teams auf der ganzen Welt arbeiten).

Die Ergebnisse werden in einem Artikel in Nature von MIT-Absolvent Jason Yoo, dem Chemie- und Lester-Wolfe-Professor Moungi Bawendi und dem Fariborz-Maseeh-Professor in Emerging Technology für Elektrotechnik und Informatik Vladimir Bulovic sowie 11 weiteren am MIT, aus Südkorea und Georgia beschrieben.

Perowskite sind als breite Kategorie von Materialien dadurch definiert, dass sie eine bestimmte Art der dem natürlich molekular vorkommenden Mineral Perowskits ähnelnden Anordnung oder Gitter haben. Es gibt eine große Anzahl möglicher chemischer Kombinationen, die Perowskite bilden können, und Yoo erklärt, dass diese Materialien weltweites Interesse auf sich gezogen hätten, weil sie “zumindest auf dem Papier viel billiger kommen als Silizium oder Galliumarsenid” (einer der anderen führenden Anwärter). Das liegt zum Teil an den viel einfacheren Verarbeitungs- und Herstellungsprozessen, die für Silizium oder Galliumarsenid andauernde Hitze von mehr als 1.000 Grad Celsius erfordern. Im Gegensatz dazu können Perowskite bei weniger als 200 C verarbeitet werden, entweder in Lösung oder durch Aufdampfen.

Der andere große Vorteil von Perowskiten gegenüber Silizium oder vielen anderen Ersatzkandidaten ist, dass sie extrem dünne Schichten bilden und trotzdem effizient Sonnenenergie einfangen. “Perowskit-Zellen haben das Potenzial, im Vergleich zu Silizium um Größenordnungen leichter zu sein”, sagt Bawendi.

Perowskite haben eine höhere Bandlücke als Silizium, was bedeutet, dass sie einen anderen Teil des Lichtspektrums absorbieren und somit Siliziumzellen ergänzen können, um noch höhere kombinierte Wirkungsgrade zu erzielen. Aber selbst wenn man nur Perowskit verwendet, sagt Yoo, “zeigen wir, dass wir sogar mit einer einzigen aktiven Schicht Wirkungsgrade erreichen können, die Silizium in den Schatten stellen, und hoffentlich in die Nähe von Galliumarsenid kommen. Und diese beiden Technologien gibt es schon viel länger als die Perowskite.”

Elektronentransportschicht präzise konstruiert

Einer der Schlüssel zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Materials durch das Team, erklärt Bawendi, lag in der präzisen Konstruktion einer Schicht des Sandwichs, aus dem eine Perowskit-Solarzelle besteht – der Elektronentransportschicht. Das Perowskit selbst ist mit einer transparenten, leitfähigen Schicht überzogen, die dazu dient, den elektrischen Strom aus der Zelle dorthin zu leiten, wo er genutzt werden kann. Ist die leitende Schicht jedoch direkt auf dem Perowskit selbst angebracht, rekombinieren die Elektronen und ihre Gegenspieler, die Löcher, einfach an Ort und Stelle und es fließt kein Strom. Im Design der Forscher sind das Perowskit und die leitende Schicht durch eine verbesserte Art von Zwischenschicht getrennt, welche die Elektronen durchlassen kann und gleichzeitig die Rekombination verhindert.

Diese mittlere Elektronentransportschicht und vor allem die Grenzflächen, an denen sie sich mit den Schichten auf beiden Seiten verbindet, neigen dazu, Ineffizienzen zu verursachen. Die Forscher konnten die Verluste stark reduzieren, indem sie diese Mechanismen untersuchten und eine Schicht aus Zinnoxid entwarfen, die sich besser an die angrenzenden Schichten anpasst.

Die verwendete Methode nennt sich chemische Badabscheidung. “Es ist wie langsames Kochen in einem Crock-Pot (Langsamgarer)”, sagt Bawendi. In einem Bad bei 90 Grad Celsius zersetzen sich die Vorläuferchemikalien langsam, um die Schicht aus Zinndioxid an Ort und Stelle zu bilden. “Das Team erkannte, dass wir ein besseres Verständnis dafür hätten, wie sich diese Schichten bilden, wenn wir die Zersetzungsmechanismen dieser Vorläuferstoffe verstehen würden. Wir waren in der Lage, das richtige Fenster zu finden, in dem die Elektronentransportschicht mit idealen Eigenschaften synthetisiert werden kann.”

Nach einer Reihe von kontrollierten Experimenten fanden sie heraus, dass sich je nach Säuregrad der Vorläuferlösung unterschiedliche Mischungen von Zwischenverbindungen bilden. Sie identifizierten auch einen “Sweet Spot” (optimaler Bereich) der Precursor-Zusammensetzungen, der es der Reaktion erlaubte, einen wesentlich effektiveren Film zu erzeugen.

Mengen an Additiven drastisch verringert

Die Forscher kombinierten diese Schritte mit einer Optimierung der Perowskit-Schicht selbst. Sie verwendeten eine Reihe von Additiven zur Perowskit-Rezeptur, um deren Stabilität zu verbessern. Dies war bereits zuvor versucht worden, hatte aber einen unerwünschten Effekt auf die Bandlücke des Materials, was es zu einem weniger effizienten Lichtabsorber machte. Das Team fand heraus, dass sie durch die Zugabe von viel geringeren Mengen dieser Additive – weniger als 1 Prozent – immer noch die vorteilhaften Effekte erzielen konnten, ohne die Bandlücke zu verändern. Die daraus resultierende Verbesserung der Effizienz hat das Material bereits auf über 80 Prozent der theoretischen maximalen Effizienz gebracht, die solche Materialien haben könnten, sagt Yoo.

Während diese hohen Wirkungsgrade in winzigen Geräten im Labormaßstab demonstriert wurden, sagt Bawendi, dass “die Art von Einsichten, die wir in dieser Arbeit liefern, und einige der Tricks, die wir zur Verfügung stellen, potenziell auf die Methoden angewendet werden könnten, die jetzt für groß angelegte, herstellbare Perowskit-Zellen entwickelt werden, und somit auch deren Wirkungsgrade steigern.”

Bei der weiteren Verfolgung der Forschung gibt es zwei wichtige Wege, sagt er: die Grenzen für eine bessere Effizienz weiter zu verschieben und sich auf die Erhöhung der Langzeitstabilität des Materials zu konzentrieren, die derzeit in Monaten gemessen wird, im Vergleich zu Jahrzehnten für Siliziumzellen. Aber für manche Zwecke, so Bawendi, sei die Langlebigkeit vielleicht gar nicht so wichtig. Viele elektronische Geräte, wie zum Beispiel Handys, würden ohnehin innerhalb weniger Jahre ausgetauscht, so dass es auch für relativ kurzlebige Solarzellen nützliche Anwendungen geben könnte. “Ich glaube nicht, dass wir mit diesen Zellen schon so weit sind, selbst für diese Art von kurzfristigen Anwendungen”, sagt er. “Aber man ist nahe dran, also könnte die Kombination unserer Ideen in diesem Papier mit Ideen, die andere Leute mit zunehmender Stabilität haben, zu etwas wirklich Interessantem führen.”

“Erstaunliche Leistung”

Robert Hoye, Dozent für Materialien am Imperial College London, der nicht an der Studie beteiligt war, lobt: “Das ist eine hervorragende Arbeit eines internationalen Teams.” Er fügt hinzu: “Dies könnte zu einer besseren Reproduzierbarkeit führen und dazu, dass sich die im Labor erzielten hervorragenden Geräteeffizienzen auf kommerzielle Module übertragen lassen. Was die wissenschaftlichen Meilensteine angeht, so erreichen sie nicht nur einen Wirkungsgrad, der über weite Strecken des letzten Jahres der zertifizierte Rekord für Perowskit-Solarzellen war, sondern auch Leerlaufspannungen von bis zu 97 Prozent der Strahlungsgrenze. Das ist eine erstaunliche Leistung für Solarzellen, die in Lösung gezüchtet werden.”

Zu dem Team gehörten Forscher des Korea Research Institute of Chemical Technology, des Korea Advanced Institute of Science and Technology, des Ulsan National Institute of Science and Technology und des Georgia Tech, Atlanta. Unterstützt wurde die Arbeit vom MIT Institute for Soldier Nanotechnology, der NASA, der italienischen Firma Eni SpA durch die MIT Energy Initiative, der National Research Foundation of Korea und dem National Research Council of Science and Technology.

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