Höhe­re Span­nung­en aus Pe­rows­kit-Solar­zel­len

In nur wenigen Jahren stiegen die Wirkungs­grade von Perowskit-Solar­zellen von gut vier auf deutlich über zwanzig Prozent. Aktuell wird an der Optimierung der Lang­lebigkeit und der Produktions­prozesse gearbeitet. Chinesische und britische Wissenschaftlern gelang es nun, die unerwünschte Rekombination von Ladungs­trägern weiter zu verringern. Parallel steigerten sie die Leerlauf­spannung ihrer Prototypen um etwa 100 Millivolt. Damit lässt sich die Ausgangs­leistung von Perowskit-Solar­zellen ebenfalls erhöhen.

Ein Prototyp der optimierten, mehrschichtigen Perowskit-Solarzelle mit über 21 Prozent Wirkungsgrad und einer Leerlaufspannung von 1,21 Volt (Bild: R. Zhu, Peking U.)

Um dieses Ziel zu erreichen, nutzten die Arbeits­gruppen um Riu Zhu von der Peking University und Henry J. Snaith von der University of Oxford eine aus­geklügelte Stapelung der licht­aktiven, Ladungs­träger absorbierenden und als Elektroden dienenden Schichten. Auf einem durch­sichtigen und elektrisch leit­fähigen Substrat aus Indium­zinn­oxid (ITO) legten sie eine nur zehn Nanometer Polyester-Schicht (PTTA). Darauf trugen sie eine Flüssig­keit auf, aus der eine etwa 550 Nano­meter dicke Schicht aus Perowskit heraus­kristallisierte. Bevor nun weitere Schichten für die Aufnahme der photo­voltaisch erzeugten Ladungs­träger und für den elektrischen Anschluss folgten, variierten sie die Ober­fläche der Perowskit-Schicht durch die Zugabe von Guanidin­bromid.

Dank dieses Salzes einer organischen, stickstoff­haltigen Säure bildete sich eine zusätzlich, wenige Nano­meter dünne Schicht an der Grenz­fläche zwischen herkömmlichen Perowskit und der Elektronen absorbierenden Lage. Genau in dieser Variation fanden Zhu und Kollegen den Schlüssel für eine höhere Leer­lauf­spannung. Insgesamt fertigten die Forscher etwa 200 Proto­typen, um das beste Rezept für ihre optimierten Perowskit-Solarzellen zu finden.

Den detaillierten Aufbau der Solarzellen untersuchten die Forscher sowohl mit einem hoch­auflösenden Raster­elektronen­mikroskop als auch über Röntgen­beugungs­verfahren. An der variierten Grenz­schicht offenbarten sich so Regionen mit einer höheren Elektronen­dichte. Die durch­schnittliche Korn­größe der Perowskit-Kristalle bestimmten sie auf etwa 42 Nano­metern. Dank einer besseren Kontrolle der Grenz­schicht erwarteten die Forscher eine bessere Absorption von Elektronen und über die leichte Vergrößerung der elektronischen Band­lücke auch eine erhöhte Leer­lauf­spannung.

Darauf unterzogen sie ihre Prototypen zahlreichen Test­messungen mit künstlichem Sonnen­licht einer genormten Strahlungs­quelle. Diese belegten einen hohen Wirkungs­grad von über 21 Prozent bei einer Leerlauf­spannung von 1,21 Volt – etwa 100 Millivolt höher als bei Perowskit-Solarzellen ohne einer mit Guanidin­bromid variierten Grenz­schicht. So konnten nach dem Einfall von Sonnen­licht die in den Perowskit-Kristallen erzeugten Elektronen effizienter absorbiert und an eine Elektrode weitergeleitet werden. Die unerwünschte Verknüpfung von negativ und positiv geladenen Ladungs­trägern – die Rekombination von Elektronen und Löchern – wurde dadurch besser vermieden als bei Perowskit-Solarzellen ohne eine mit Guanidin­bromid veränderte Grenzschicht. Zudem zeigten die Prototypen eine gute Halt­barkeit und hielten ihren hohen Wirkungs­grad über viele Stunden konstant.

Bis solche Perowskit-Solarzellen allerdings Marktreife erlangen, werden noch einige Entwicklungs­jahre ins Land gehen. So dominiert Silizium heute den Markt der Solarzellen mit gut neunzig Prozent aller installierten Solar­module. Den Einsatz von Perowskit-Solarzellen wird aber beispiels­weise vom Unternehmen Oxford PV, mitgegründet von Henry J. Snaith, Koautor der aktuellen Studie, intensiv verfolgt. Die Firma favorisiert aber nicht Solar­zellen ausschließlich auf Perowskit-Basis. Oxford PV setzt vielmehr auf Tandem­zellen mit einer Kombination aus Silizium und Perowskit. Diese können ein breiteres Spektrum des Sonnen­lichts in elektrischen Strom wandeln als jeder Zelltyp für sich alleine. Erst diese Woche erreichte ein neuer Prototyp einer Tandem­zelle einen Rekord­wirkungs­grad von stolzen 27,3 Prozent. Für die Pilot­fertigung baute Oxford PV bereits eine Produktions­stätte in Brandenburg bei Berlin auf. (Quelle: optik-photonik.de, J.-O. Löfken)

Referenz: D. Luo et al.: Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells, Science 360, 1442 (2018); DOI: 10.1126/science.aap9282

Links: Arbeitsgruppe Rui Zhu, Institute of Modern Optics, Peking UniversityPhotovoltaic and Optoelectronic Device Group (H. J. Snaith), University of OxfordOxford PV, Oxford & Brandenburg

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