Weniger Defekte, mehr Strom

In nur wenigen Jahren hat sich der Wirkungs­grad von Perowskit-Solar­zellen von knapp drei auf über zwanzig Prozent steigern lassen. Dazu kommt, dass dieses Material preis­günstig ist und einfach verarbeitet werden kann. Deshalb gelten Perowskit-Dünn­schichten als viel­versprechender Kandidat für den weiteren Ausbau der Photo­voltaik. Leider gibt es bislang noch einige Haken: So bleibt der Wirkungs­grad von Perowskit-Solar­zellen unter UV-Strahlung im Freien oder elek­trischen Feldern, die beim Betrieb auftreten, nicht lange stabil. Nun haben Antonio Abate, Leiter einer Helmholtz-Nachwuchs­gruppe am HZB, und Alessio Gagliardi von der TU München gezeigt, welchen Einfluss der Aufbau von Perows­kit-Zellen auf die Stabi­lität des Wirkungs­grads hat.

Rasterelektronenmikroskopien der Perowskit-Solarzellen, links mit glatter, rechts mit mesoporöser Grenzschicht. Zur Verdeutlichung wurden die Bilder halbseitig eingefärbt: Metalloxid (türkis), Grenzschicht (rot), Perowskit (braun), lochleitende Schicht (dunkelblau) sowie Goldkontakt. Die Skala zeigt 200 nm. (Bild: A. Gagliardi, TUM)

Die Wissen­schaftler untersuchten zwei unter­schiedliche Architek­turen von Perowskit-Solar­zellen, die ansonsten auf iden­tische Weise präpa­riert wurden. In beiden grenzt die Perowskit-Dünn­schicht an eine Elektronen leitende Schicht aus einem Metalloxid wie Titan­dioxid oder Zinndioxid. Während in der ersten Variante die beiden Schichten glatt aneinander­grenzen, bildet sich in der zweiten Variante eine mesoporöse Zwischen­schicht aus Perowskit und Metalloxid aus, die eine komplexe, schwamm­artige Struktur mit vielen winzigen Poren besitzt. Überraschen­derweise blieb der Wirkungs­grad von Zellen mit dieser meso­porösen Zwischen­schicht weitaus länger stabil als in Zellen mit einer planaren Zwischen­schicht.

Durch weitere Experimente und mit Hilfe numerischer Simu­lationen konnten die Forscher nun eine Begründung für diesen Effekt finden: „Die meso­poröse Zwischen­schicht besitzt eine sehr große innere Oberfläche und das erweist sich als Vorteil“, erklärt Abate. Denn dadurch verteilen sich etwaige Fehl­stellen und Defekte, die den Wirkungs­grad mindern und sich während des Betriebs der Solar­zelle anhäufen, sehr groß­flächig. Ihr Einfluss wird damit verdünnt und abgemildert, so dass der Wirkungs­grad stabil bleibt.

Die Wissen­schaftler konnten sogar einen Schwellen­wert für die Defekt­dichte bei den meso­porösen Perowskit-Zellen ermitteln. Oberhalb dieser Schwelle nimmt die Degra­dation der Zelle sehr rasch zu, ihre Stabi­lität sinkt rapide. Doch unterhalb der Schwelle bleibt der Wirkungs­grad der Zelle stabil. „Wir konnten zeigen, dass Perowskit-Zellen in einer meso­porösen Architektur weitaus besser gegen den Einfluss von Defekten geschützt sind”, sagt Abate. (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: A. Gagliardi & A. Abate: Mesoporous Electron-Selective Contacts Enhance the Tolerance to Interfacial Ion Accumulation in Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett. 3, 163 (2018); DOI: 10.1021/acsenergylett.7b01101

Link: AG Materialien und Grenzflächen für stabile Perowskit-Solarzellen (A. Abate), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Berlin

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