Perowskit-Solarzellen: Es muss gar nicht perfekt sein
Vereinfachter Querschnitt durch eine Perowskit-Solarzelle: Die Perowskit-Schicht bedeckt nicht die gesamte Fläche, sondern weist „Löcher“ auf. Allerdings bildet sich dort eine Schutzschicht, die einen Kurzschluss verhindert, zeigte das Team um Marcus Bär. © HZB
Untersuchungen an BESSY II zeigen, warum selbst „löchrige“ Perowskit-Filme gut funktionieren
Metallorganische Perowskit-Schichten für Solarzellen werden häufig durch Rotationsschleudern auf industrierelevante Substrate aufgetragen. Die aufgeschleuderten Perowskit-Schichten weisen in der Regel zahlreiche „Löcher“ auf, erzielen aber dennoch erstaunlich hohe Wirkungsgrade. Warum solche Löcher kaum zu Kurzschlüssen und Ladungsträgerrekombination führen, hat nun ein HZB-Team um Prof. Marcus Bär in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Henry Snaith (Universität Oxford) an BESSY II herausgefunden.
Die metallorganischen Perowskite zeigten anfänglich Wirkungsgrade von wenigen Prozent (2,2 Prozent in 2006). Aber das änderte sich rasch: Inzwischen liegt der Rekordwert bei deutlich über 22 Prozent. Eine solche Steigerung hatte bei den derzeit kommerziell dominierenden Silizium-Solarzellen mehr als 50 Jahre gedauert. Dünnschichten aus metallorganischen Perowskiten sind preisgünstig und sie lassen sich großflächig herstellen, etwa durch Aufschleudern einer Perowskit-Lösung und anschließendem Ausheizen. Dabei verdampft das Lösungsmittel und das Material kristallisiert aus. Das macht diese Technologie sehr attraktiv.
"Löcher" im Perowskit-Film
Allerdings entsteht beim Aufschleudern auf kompakte Substrate in der Regel keine perfekte ebenmäßige Dünnschicht, sondern ein Perowskit-Film mit zahlreichen „Löchern“. Auch die Proben aus der Gruppe des Perowskit-Pioniers Henry Snaith weisen diese Löcher auf. Das Problem dabei: Diese Löcher könnten zu Kurzschlüssen in der Solarzelle führen, indem die angrenzenden Schichten der Solarzelle in Kontakt kommen. Dies müsste eigentlich den Wirkungsgrad sehr deutlich reduzieren. Diesen Effekt konnten die Forscher allerdings nicht beobachten.
Schutzschicht bildet sich von selbst
Nun haben Marcus Bär und seine Gruppe zusammen mit der Spectro-Microscopy Gruppe des Fritz-Haber-Instituts die Proben von Henry Snaith gründlich unter die Lupe genommen. Mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie haben sie die Oberfläche morphologisch kartiert. An den Stellen mit Löchern analysierten sie anschließend ortsaufgelöst mit spektromikroskopischen Methoden an BESSY II die chemische Zusammensetzung. „Wir konnten zeigen, dass selbst in den Löchern das Substrat nicht wirklich unbedeckt ist, sondern sich dort quasi als Ergebnis der Abscheidung und Kristallisation eine dünne Schicht ausbildet, die offensichtlich Kurzschlüsse verhindert“, erklärt Doktorandin Claudia Hartmann.
... und verhindert Kurzschlüsse
Dabei konnten sie auch ermitteln, dass die Energiebarriere vergleichsweise hoch ist, die die Ladungsträger überwinden müssten, um bei einem direkten Aufeinandertreffen der Kontaktschichten miteinander zu rekombinieren. „Die Elektronen-Transportschicht TiO2 und das Transportmaterial für positive Ladungsträger Spiro-MeOTAD kommen eben nicht direkt in Kontakt. Außerdem ist die Rekombinationsbarriere zwischen den Kontaktschichten ausreichend groß, so dass trotz der vielen Löcher in der Perowskit-Dünnschicht die Verluste in diesen Solarzellen gering sind“, sagt Marcus Bär.
Die Ergebnisse sind publiziert in Advanced Materials Interfaces (2018): Spatially-resolved insight into the chemical and electronic structure of solution processed perovskites – why to (not) worry about pin-holes, C. Hartmann, G. Sadoughi, R. Félix, E. Handick, H. W. Klemm, G. Peschel, E. Madej, A. B. Fuhrich, X. Liao, S. Raoux, D. Abou-Ras, D. Wargulski, Th. Schmidt, R.G. Wilks,, H. Snaith, and M. Bär
DOI: 10.1002/admi.201701420
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.