Schutzverpackung für Ladungsträger
FAU-Forschungsteam entwickelt Design für ultralanglebige Perowskit-
Solarzellen
Eine Forschungsgruppe der Friedrich-Alexander-Universitä
Nürnberg (FAU) und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für
Erneuerbare Energien (HI ERN) haben ein Design entworfen, mit dem die
Betriebsstabilität und die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen deutlich
erhöht werden können. Kern ihrer Entwicklung ist eine polymere
Doppelschicht, die die Perowskite vor Korrosion schützt und zugleich einen
ungehinderten Ladungstransfer ermöglicht. Die Erkenntnisse der Forscher
wurden im renommierten Fachjournal „Nature Energy” veröffentlicht*.
Um die Nutzung von Sonnenenergie effizienter zu gestalten, wird weltweit
mit Hochdruck an Alternativen zur verbreiteten Silizium-Technologie
geforscht. Ein vielversprechender Ansatz sind sogenannte Perowskit-
Solarzellen. Perowskite sind eine Gruppe von Metalloxiden, die sehr
unterschiedlich zusammengesetzt sein können. Was sie eint, ist ihre
hervorragende optoelektronische Leistungsfähigkeit und die kristalline
Struktur, die technisch einfach hergestellt und modifiziert werden kann.
„Der besondere Vorteil gegenüber Silizium ist, dass Perowskite bei
Raumtemperatur in hauchdünnen Schichten auf Substrate gesprüht oder
gedruckt werden können“, erklärt Prof. Dr. Christoph J. Brabec, Inhaber
des Lehrstuhls für Werkstoffwissenschaften (Materialien der Elektronik und
der Energietechnologie) der FAU, Direktor am Forschungszentrum Jülich und
Leiter der Forschungsgruppe „Hochdurchsatzmethoden in der Photovoltaik“ am
HI ERN. „Das macht die Produktion von Solarmodulen besonders flexibel und
preiswert.“
Bislang zeigen sich bei den neuartigen Modulen aber zwei gravierende
Nachteile: Sie sind erstens nicht sehr langlebig, weil Perowskite an ihren
Grenzflächen zu Korrosion neigen und ihre Leistungsfähigkeit zum Teil
innerhalb weniger Tage rapide abnimmt. Zweitens sind Perowskit-Module
nicht sehr robust gegenüber höheren Temperaturen, was ihre Stabilität im
Praxisbetrieb stark einschränkt. Grund dafür sind vor allem ionisch
dotierte Schichten, die einerseits für den Transport der Ladungsträger
benötigt werden, andererseits jedoch zu unerwünschten Sekundärreaktionen
führen.
Doppel-Polymerschicht als Leiter und Schutzfilm
Die Hochdurchsatzgruppe am HI ERN hat nun ein Design entworfen, das die
beschriebenen Nachteile von Perowskit-Zellen eliminiert: Kern ihrer
Entwicklung ist eine Polymer-Doppelschicht, die unmittelbar auf dem
Perowskit liegt. Die obere Schicht ist mit einer nicht-ionischen Säure
dotiert, während die untere undotiert ist und gleichermaßen als
Ladungsleiter und Korrosionsschutz fungiert. „Diese Architektur schützt
einerseits die sehr sensible Grenzfläche zum Perowskiten, zeigt
andererseits jedoch eine außerordentlich stabile Leitfähigkeit auch bei
höheren Temperaturen“, sagt Dr. Yicheng Zhao, der maßgeblich an der
Entwicklung des neuen Moduls beteiligt ist.
Die Ergebnisse zeigen eine für Perowskit-Solarzellen bislang unerreichte
Robustheit und Lebensdauer: Die Erlanger Forschungsgruppe hat das Modul
über 1400 Stunden unter einer künstlichen Sonne bei 65° Celsius betrieben,
ohne dass eine Leistungsminderung oder Korrosion beobachtet wurde. Selbst
nach dieser langen Zeit von knapp 60 Tagen erreichen die untersuchten
Solarzellen im Schnitt noch 99 Prozent ihres Spitzenwirkungsgrades. „Unter
Alltagsbedingungen könnten schon jetzt bis zu 20.000 Betriebsstunden
möglich sein“, schätzt Zhao. „Damit wäre die Doppelschicht-Struktur ein
Schlüssel für die Entwicklung wettbewerbsfähiger planarer Perowskit-
Solarzellen.“
Automatisierte Hochdurchsatz-Forschung
Der Erfolg der Arbeitsgruppe um Christoph Brabec basiert auf einer
einzigartigen Strategie: der sogenannten Hochdurchsatz-Forschung. Die Idee
hinter diesem Konzept ist, den kombinierten Einsatz von Materialien,
Prozessen und Technologien zu automatisieren und mit Methoden der KI und
Big Data zu verbinden. Allein im beschriebenen Projekt wurden 160
Perowskit-Arten untersucht – zusammen mit weiteren Leitungs- und
Kontaktschichten sowie ihren Dotierungen ergeben sich leicht mehrere
tausend Kombinationen. Brabec: „Ein solch riesiges Spektrum kann nur durch
eine parallele Erforschung ganzer Materialklassen bewältigt werden, die
herkömmliche sequenzielle Untersuchung und Optimierung einzelner
Materialien können das nicht leisten. Mit diesem Ansatz gehören wir heute
zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen im Bereich der
Photovoltaik.“
* https://doi.org/10.1038/s41560
