Monolithische Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zeichnen sich durch eine dünne Perowskit-Schicht aus, die über eine Co-Verdampfung von Vorläuferverbindungen hergestellt werden kann – ein in der Industrie etabliertes Verfahren. Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie haben nun einen neuen Weg gefunden, die Qualität der Perowskit-Schicht zu verbessern. Das soll die Kommerzialisierung der Technologie voranbringen.
Als Lochtransportschicht für das Perowskit werden sogenannte SAMs verwendet. Das sind organische Moleküle, die sich selbstorganisiert zu einer Monoschicht anordnen. Allerdings müssen sich sowohl die SAM- als auch die Perowskit-Schicht möglichst gleichmäßig auf der Siliziumoberfläche ausbilden. Das ist nicht ganz einfach, so die Forscher, da die SAM keine perfekte Monoschicht ist und zudem die Siliziumoberfläche Nanostrukturen aufweist, um mehr Licht einzufangen.
Das HZB-Forscherteam hat nun nach eigenen Angaben eine Lösung für dieses Problem gefunden: Die Wissenschaftler haben mithilfe eines Nahfeld-Rastersondenmikroskops (IR-s-SNOM) im Infrarotbereich Zonen mit unterschiedlicher Dicke innerhalb der SAM-Schicht identifiziert, darunter Monoschichten, mehrere Schichten und Agglomerationen von SAM-Molekülen. Anschließend haben sie analysiert, wie sich SAM-Schichten auf planaren und industriell relevanten, texturierten Siliziumsubstraten bilden. Dabei zeigte sich, dass sich SAM-Moleküle in den Texturtälern ansammeln, was zu einer Schicht mit ungleichmäßiger Dicke führt.
Höhere Stabilität durch Verzicht auf Lösungsmittel
Mithilfe der Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie (XPEEM) am BESSY II – eine Art Super-Röntgengerät des Helmholtz Zentrum Berlin – hat das Team dann das Wachstum des co-verdampften Perowskits auf verschiedenen Bereichen des SAM-beschichteten Siliziumsubstrats untersucht. Diese Messungen zeigten zum einen, dass die Perowskit-Schicht die darunterliegenden Inhomogenitäten nicht ausgleichen kann, und zum anderen, dass sich an der Grenzfläche zum Silizium unerwünschtes Bleiiodid bildet.
Um diese Probleme zu lösen, brachten die Forscher eine Schicht aus Cäsiumchlorid (CsCl) an der Grenzfläche auf, die als Keimschicht fungiert. „Diese Keimschicht ermöglicht das gleichmäßige Wachstum von Perowskit-Schichten auf texturiertem Silizium und verhindert die Bildung von Grenzflächenfehlern, die durch eine ungleichmäßige Bedeckung der Lochtransportschicht verursacht werden“, sagt Viktor Škorjanc, Erstautor der Veröffentlichung. Infolgedessen verbessert sich die Schichtqualität maßgeblich, so die Wissenschaftler. Der Wirkungsgrad der von HZB-Forscherin Stefanie Severin angefertigten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen stieg auf 30,3 Prozent – nach Angaben der Berliner Wissenschaftler ein herausragender Wert für perowskitbasierte Tandemsolarzellen, die im Verdampfungsverfahren hergestellt werden.
Das neue Vakuumverfahren kommt ohne Lösungsmittel aus. Dies dürfte nach Einschätzung des Forscherteams auch die Stabilität der Tandemzellen verbessern – was für die Kommerzialisierung sehr wichtig ist. „Dies ist ein echter Fortschritt bei der Übertragung von Rekordwirkungsgraden aus dem Labor in zuverlässige, industriell herstellbare Tandem-Solartechnologien“, sagt Marcel Roß, Teamleiter für verdampfte Perowskit-Solarzellen am HZB.