Forschungsthemen

Die Basis der Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle. Darauf wurde eine sehr dünne Schicht transparentes Zinndioxid abgeschieden, die mit Perowskit (500 nm) sowie dem Lochleitermaterial spiro-OMeTAD (300 nm) bedeckt wurde. Dünnes MoO3 dient als Schutzschicht zwischen diesem Lochleiter und der transparenten ITO- Topelektrode. Bild: S. Albrecht / HZB

Neue Materialien und Bauteilarchitekturen für Perowskit Solarzellen

Die optische Bandlücke des „Standart“ Perowskit-Absorbers Methylammonium Bleiiodid (CH3NH3PbI3) liegt bei ca. 1.56 eV und muss für einen optimalen Wirkungsgrad in Tandem-Architekturen mit Silizium auf ca. 1.7 eV erhöht werden. Wichtig ist, dass dabei die Leerlaufspannung der Perowskit Einzelzelle auch auf Werte über 1.3 V erhöht werden kann, damit die kleinen energetischen Verluste zwischen Bandlücke und Leerlaufspannung des „normalen“ CH3NH3PbI3 erhalten bleiben. Dazu ist ein fundamentales Verständnis der Grenzflächenenergetik und der Leerlaufspannung bei Verwendung verschiedener selektiver Kontaktmaterialien notwendig.

Die höchsten Wirkungsgrade für Siliziumsolarzellen werden derzeit mit optischen Lichteinfangstrukturen erzielt, welche mit dem Beschichtungsverfahren des Schleuderbeschichtens und damit dem etablierten Prozess der Perowskit-Herstellung nicht vereinbar sind. Abhilfe kann hier die Verwendung von planaren Wafern schaffen, welche jedoch durch hohe Reflexionsverluste gekennzeichnet sind. Daher soll hier eine Möglichkeit gefunden werden, den Perowskiten auch auf Wafern mit Mikrometer-großen Oberflächenstrukturen abzuscheiden.

Langzeitstabilität der Perowskit Solarzellen

Die Langzeitstabilität speziell gegenüber nicht inerten Bedingungen (Feuchtigkeit, Luftsauerstoff) ist eine wichtige Hürde auf dem Weg der Industrialisierung von Perowskit Solarzellen. Hierbei sollen Alterungstests wie die Lichtalterung unter Beleuchtungsstärken von einer oder mehreren Sonnenäquivalenzen oder die Alterung bei erhöhter Temperatur und Luftfeuchtigkeit helfen, stabile Herstellungsprozesse zu entwickeln.

Optimale Transparente Leiter mit „sanfter Deposition“ von Kontakten

Typische transparente Elektroden und die eventuell benötigten Pufferschichten zum Herstellen dieser Elektroden sollen untersucht sowie für die Bedürfnisse der Tandemarchitektur optimiert werden. Als etablierte Standards gelten hier Metall-Mischoxide wie Indium-Zinnoxid (ITO) welche mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Beim Kathodenzerstäuben werden die sensitiven organischen Lochleitermaterialien erheblich durch den reaktiven Sauerstoff oder die hochenergetischen ionisierten Teilchen beschädigt. Abhilfe kann hier eine Pufferschicht oder sanftere Depositionsmethoden bringen.

Bauteiltechnologie und Anpassung der Silizium Bottom Zelle

Da der kurzwellige Teil des Sonnenspektrums in der Perowskit-Zelle absorbiert wird, ergeben sich für die Silizium Bottom Zelle zusätzliche Freiheitsgrade bei der Optimierung: So kann z.B. die Bandlücke der Vorderseitenkontakt-Materialien reduziert und/oder ihre Schichtdicke erhöht werden, ohne dass sich dies negativ auf den Photostrom der Tandem-Zelle auswirkt. Daher soll untersucht werden, ob diese zusätzlichen Variationsmöglichkeiten eine weitere Optimierung der Leerlaufspannung und des Füllfaktors der Tandem-Zelle ermöglichen.

Optimierung des optischen Designs durch moderne Simulation

Die Tandemzelle vereint einen Stapel verschiedener dünner Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften auf einem optisch sehr dicken Siliziumwafer. Daher kommt es zu Interferenzeffekten, welche durch elektrooptische Simulation detailliert verstanden und somit optimiert werden können.