Neue Solarzelle aus drei Perowskit-Schichten hält deutlich länger
Neue Perowskit-Dreifachzelle erreicht 27,3 % Wirkungsgrad und behält nach 770 Betriebsstunden über 90 % ihrer Leistung.
Die neue Dreifachsolarzelle besteht aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern und einer Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter. Die Doppelschicht steigert den Wirkungsgrad auf 27,3% und erhöht gleichzeitig die Stabilität.
Foto: Laura Canil /HZB
Perowskit-Solarzellen erreichen im Labor seit Jahren hohe Wirkungsgrade. Das eigentliche Problem liegt oft an anderer Stelle: Viele Zellen verlieren im Betrieb zu schnell an Leistung. Genau an diesem Punkt setzt eine neue Arbeit des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) an.
Ein Team des HZB hat eine vollständig perowskitbasierte Dreifach-Solarzelle entwickelt. Sie besteht aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern und erreicht einen Wirkungsgrad von 27,3 %. Entscheidend ist eine neue Doppelschicht aus Graphenoxid und einer selbstorganisierten Monoschicht. Sie verbessert eine kritische Grenzfläche im Zellaufbau.
Auch die Stabilität fällt deutlich besser aus als bei vergleichbaren Architekturen. Nach mehr als 770 Betriebsstunden behielt die Solarzelle noch über 90 % ihrer ursprünglichen Leistung. Das ist kein Nachweis für ein marktreifes Solarmodul, für diese komplexe Perowskit-Dreifachzelle aber ein wichtiger Fortschritt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Joule“ veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Warum drei Perowskit-Schichten übereinanderliegen
Eine Solarzelle kann Sonnenlicht nur dann effizient nutzen, wenn das Material zur Energie der einfallenden Photonen passt. Bei einer einzelnen Absorberschicht bleibt deshalb immer ein Teil des Sonnenspektrums ungenutzt oder wird nicht optimal verwertet.
Mehrfachsolarzellen lösen dieses Problem, indem sie mehrere Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken kombinieren. Jede Teilzelle ist auf einen anderen Spektralbereich ausgelegt: Die obere Schicht nutzt energiereicheres Licht, darunterliegende Schichten verwerten längerwellige Anteile.
Das HZB-Team setzte dafür drei verschiedene Perowskit-Absorber übereinander. Es handelt sich also nicht um eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle, sondern um eine vollständig perowskitbasierte Dreifach-Solarzelle. Solche Zellkonzepte gelten als interessant, weil Perowskite hohe Wirkungsgrade ermöglichen, dünn abgeschieden werden können und perspektivisch leichte sowie flexible Solarzellen erlauben.
Der Aufbau ist allerdings anspruchsvoll. Die einzelnen Teilzellen müssen nicht nur Licht absorbieren, sondern auch elektrisch sauber miteinander verbunden sein. Gerade an den Zwischenschichten entscheidet sich, ob die Ladungsträger effizient transportiert werden oder ob Verluste entstehen.
Die Schwachstelle liegt in der hinteren Teilzelle
Im Mittelpunkt der neuen Arbeit stand die Grenzfläche zwischen der mittleren und der hinteren Perowskit-Teilzelle. Die hintere Teilzelle besteht aus einem Zinn-Blei-Perowskit mit kleiner Bandlücke. Diese Schicht soll vor allem längerwellige Lichtanteile nutzen.
Gerade diese Zinn-Blei-Perowskite sind für Mehrfachsolarzellen wichtig, aber empfindlich. Entscheidend ist der Kontakt zur Lochtransportschicht. Diese Schicht nimmt positive Ladungsträger auf und leitet sie weiter. Wenn dieser Übergang nicht gut funktioniert, sinkt der Wirkungsgrad und die Zelle kann schneller degradieren.
In vielen Zellaufbauten wird dafür PEDOT verwendet. Das Polymer ist als Lochtransportschicht etabliert, bringt hier aber Nachteile mit. Laut HZB entstehen dadurch optische Verluste. Zudem verschlechtert sich die Leistung der Zelle im Betrieb schneller. Das Team suchte deshalb nach einer anderen Lösung für diese Grenzfläche.
Graphenoxid stabilisiert die Grenzfläche
Die Forschenden testeten selbstorganisierte Monoschichten, kurz SAMs (Self-Assembled Monolayers). Solche Schichten bestehen aus organischen Molekülen, die sich selbst zu einer geordneten Lage anordnen. In bleihaltigen Perowskit-Solarzellen hatten solche SAM-Kontakte bereits gut funktioniert.
Bei Zinn-Blei-Perowskiten reichte eine SAM-Schicht allein aber nicht aus; der Transport der Löcher blieb zu ineffizient. Die Lösung brachte eine zusätzliche Schicht aus Graphenoxid (GO), die unterhalb der SAM-Schicht eingebracht wird.
Diese GO/SAM-Doppelschicht erfüllt zwei Funktionen:
- Verbesserung der Morphologie: Sie optimiert die strukturelle Ausbildung der darüberliegenden Schicht.
- Optimierung der Elektronik: Sie verändert die elektronischen Eigenschaften so, dass Ladungsträger effizienter transportiert werden können.
Damit ersetzt die GO/SAM-Doppelschicht das herkömmliche PEDOT. Der Effekt ist messbar: Die optischen Verluste sinken, und der Ladungstransport an der kritischen Grenzfläche verbessert sich.
27,3 % Wirkungsgrad für die Dreifachzelle
Mit dem neuen Aufbau erreichte die Perowskit-Dreifachsolarzelle einen Wirkungsgrad von 27,3 %. Nach Angaben des HZB zählt das zu den höchsten Werten für diese Technologie.
Wichtig ist hierbei die Einordnung: Der Wert bezieht sich auf eine Forschungszelle, nicht auf ein seriennahes Modul. In der Photovoltaik reicht ein hoher Spitzenwirkungsgrad allein nicht aus. Entscheidend ist, ob eine Zelle ihre Leistung über lange Zeit halten kann und ob der Aufbau später auf größere Flächen übertragen werden kann.
Genau deshalb ist der zweite Messwert so interessant: Die GO/SAM-Zellen behielten nach mehr als 770 Betriebsstunden noch über 90 % ihres ursprünglichen Wirkungsgrads. Das HZB spricht von einem neuen Stabilitätsrekord für diese Solarzellenarchitektur. Kurz gesagt: Es geht nicht um einen allgemeinen Stabilitätsrekord für alle Perowskit-Solarzellen, sondern der Rekord bezieht sich speziell auf diese Dreifacharchitektur aus Perowskit-Absorbern.
Noch kein Solarmodul für das Dach
Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine zentrale Schwachstelle der Perowskit-Dreifachzelle gezielt verbessern lässt. Die neue Doppelschicht reduziert Verluste und erhöht die Betriebsstabilität. Damit rückt nicht automatisch ein kommerzielles Produkt näher, aber die technische Richtung wird klarer.
Für eine Anwendung außerhalb des Labors fehlen weiterhin wichtige Nachweise:
- Skalierung: Die zugänglichen Angaben nennen keine großflächige Modulgröße.
- Zertifizierung: Es liegt keine unabhängige Zertifizierung eines Serienwirkungsgrads vor.
- Langzeittest: Daten über einen jahrelangen Außeneinsatz fehlen.
Auch die Skalierung einer monolithischen Dreifachzelle bleibt anspruchsvoll, weil mehrere empfindliche Perowskit-Schichten und Zwischenschichten exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Fortschritt liegt daher nicht in einem fertigen Modul, sondern in der Grenzfläche. Das Team zeigt, dass Graphenoxid in Kombination mit einer selbstorganisierten Monoschicht die hintere Zinn-Blei-Teilzelle stabiler und effizienter anbinden kann.
Nach Einschätzung der HZB-Forschenden ist die Architektur noch nicht ausgereizt. Sie gehen davon aus, dass bessere Perowskit-Schichten und weiter optimierte Zwischenschichten Wirkungsgrade von mehr als 30 % ermöglichen könnten.
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