Perowskit-Solarzellen gelten seit Jahren als Hoffnungsträger. Sie lassen sich dünn auftragen, reagieren gut auf Sonnenlicht und steigern ihre Effizienz kontinuierlich. Viele Rekordwerte stammen jedoch aus Verfahren, bei denen die aktive Schicht aus einer Lösung aufgetragen wird – ähnlich wie eine Tinte.
In der Industrie laufen Beschichtungsprozesse meist anders. Dort dominiert die Vakuumtechnik. Sie kommt ohne Lösungsmittel aus, arbeitet sauber und eignet sich für große Flächen. Genau hier hakte es bislang bei Perowskiten. Wenn Forschende die Materialien vollständig im Vakuum abscheiden, wachsen die Kristalle oft ungeordnet. Das führt zu Defekten. Und Defekte kosten Effizienz und Stabilität. Ein Team der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat dieses Problem nun gezielt adressiert.
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Ein Zusatzstoff lenkt das Kristallwachstum
Die Forschenden setzen auf eine thermische Co-Verdampfung. Mehrere Ausgangsstoffe verdampfen gleichzeitig und lagern sich als dünner Film auf dem Substrat ab. Neu ist eine zusätzliche Quelle aus Bleichlorid (PbCl₂). Dieser Stoff beeinflusst, wie sich die Kristalle während des Wachstums ausrichten.
So entsteht ein Perowskit mit einer Bandlücke von 1,67 eV. Diese größere Bandlücke ist wichtig für Tandemzellen. Noch entscheidender ist jedoch die Struktur: Viele Kristallkörner richten sich einheitlich aus. Der Film wird geordneter. Das reduziert Defekte und verbessert die optoelektronischen Eigenschaften.
Erstautor Dr. SHEN Xinyi beschreibt den Ansatz so: „Unsere Arbeit befasst sich mit dem zentralen materialwissenschaftlichen Problem, das vakuumdeponierte Perowskite bisher behindert hat. Durch die technische Gestaltung des Verdampfungsprozesses zur Steuerung der Kristallorientierung haben wir eine erweiterte thermische und photochemische Stabilität erreicht, die mit den modernsten lösungsbasierten Verfahren vergleichbar ist, jedoch alle Vorteile einer trockenen, industriekompatiblen Vakuumtechnik bietet.“
Effizienzwerte mit Substanz
Die Gruppe erreichte eine zertifizierte Effizienz von 18,35 % für eine vollständig vakuumdeponierte Perowskit-Zelle mit großer Bandlücke bei 0,25 cm². Im Labor lagen die besten Werte bei 19,3 %. Bei einer vergrößerten Zellfläche von 1 cm² erzielten die Forschenden 18,5 %.
Das Forschungsteam schaute aber nicht nur auf den Spitzenwert. Die Zellen mussten sich auch einem beschleunigten Alterungstest stellen. Unter 1-Sonne-Beleuchtung, ohne UV-Filter, bei 75 °C in Luft und im offenen Stromkreis behielten die gekapselten Zellen nach 1080 Stunden noch 80 % ihrer Anfangsleistung. Für Vakuum-Perowskite ist das ein deutlicher Fortschritt.
Um zu verstehen, was im Inneren der Zellen passiert, nutzte das Team eine operando-Hyperspektralbildgebung. Diese Technik analysiert optische Signale während des Betriebs und zeigt, wo im Bauteil Verluste entstehen. Prof. Lin erklärt: „Mithilfe der operando-Hyperspektralbildgebung erhielten wir beispiellose räumlich-zeitliche Einblicke in die Physik der Geräte und deckten die Faktoren auf, die eine längere Lebensdauer der Geräte beeinflussen. Wir visualisierten und unterschieden die Prozesse der Halogenidsegregation und der trap-vermittelten Rekombination auf mikroskopischer Ebene und stellten einen direkten Zusammenhang zwischen diesen Merkmalen und der makroskopischen Geräteleistung her.“
Vereinfacht gesagt: Das Team konnte unterscheiden, welche Prozesse nützlich sind und welche Leistung kosten.
27,2 % im Perowskit-Silizium-Tandem
Besonders interessant wird es im Tandem. Dabei liegt eine Perowskit-Zelle auf einer Silizium-Zelle. Die obere Schicht nutzt vor allem kurzwelliges Licht, das Silizium darunter den restlichen Spektralbereich. So lässt sich mehr Sonnenenergie verwerten als mit einer einzelnen Technologie.
Mit der verbesserten Vakuumschicht beschichteten die Forschenden strukturierte Silizium-Heterojunction-Zellen. Das Ergebnis: eine Effizienz von 27,2 % bei 1 cm² Zellfläche. Für vollständig vakuumbasierte Perowskit-Oberzellen ist das ein belastbarer Wert.
In einem Freilandtest in Italien liefen die Tandemzellen acht Monate unter realen Bedingungen. Danach lagen sie noch bei rund 80 % ihrer Anfangsleistung. Langzeitdaten über viele Jahre fehlen noch. Dennoch zeigt der Versuch, dass der Ansatz nicht nur im Labor funktioniert.
Perspektive für die Fertigung
Der vielleicht wichtigste Punkt betrifft die Produktion. Vakuumbeschichtung ist in der Dünnschichtindustrie etabliert. Anlagen, Know-how und Lieferketten existieren bereits.
Prof. Lin betont: „Dieses Co-Verdampfungsverfahren ist direkt mit der bestehenden industriellen Infrastruktur für die Dünnschichtabscheidung kompatibel. Es verwandelt die Vakuumabscheidung von einer kompromissbehafteten Alternative in einen Vorreiter für die Herstellung von leistungsstarken, stabilen Perowskit-Solarzellen und Tandemzellen und bietet einen klaren Weg vom Labor zur Fabrikhalle.“
