Anorganische Perowskit-Absorber für den Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen

</p> <p>Durch Ko-Verdampfung von C&auml;siumiodid und&nbsp; Bleiiodid&nbsp; lassen sich d&uuml;nne Schichten aus CsPbI<sub>3</sub> auch bei moderaten Temperaturen herstellen. Ein C&auml;sium-&Uuml;berschuss f&uuml;hrt zu stabilen Perowskit-Phasen.

Durch Ko-Verdampfung von Cäsiumiodid und  Bleiiodid  lassen sich dünne Schichten aus CsPbI3 auch bei moderaten Temperaturen herstellen. Ein Cäsium-Überschuss führt zu stabilen Perowskit-Phasen. © J. Marquez-Prieto/HZB

Einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, durch Ko-Verdampfung anorganische Perowskit-Dünnschichten bei moderaten Temperaturen herzustellen – ein Nachtempern bei hohen Temperaturen entfällt. Dadurch lassen sich Dünnschichtsolarzellen aus diesem Material deutlich leichter herstellen. Anorganische Perowskite sind im Gegensatz zu den hybriden metallorganischen Perowskiten thermisch stabiler. Die Arbeit ist im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Weltweit forschen Teams mit Hochdruck an der Entwicklung von Perowskit-Solarzellen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf so genannten metallorganischen Hybrid-Perowskiten, deren Kristallstruktur sich sowohl aus anorganischen Elementen wie Blei und Iod als auch aus einem organischen Molekül zusammensetzt.

Vollständig anorganische Perowskit-Halbleiter wie CsPbI3 besitzen die gleiche kristalline Architektur wie hybride Perowskite, beinhalten aber statt eines organischen Moleküls ein Alkali-Metall wie Cäsium. Dadurch sind sie deutlich stabiler als Hybrid-Perowskite, erfordern aber üblicherweise einen Herstellungs-Schritt bei sehr hoher Temperatur von mehreren Hunderten Grad Celsius. Aus diesem Grund lassen sich anorganische Perowskit-Halbleiter bisher nur schwer in Dünnschicht-Solarzellen integrieren, die hohe Temperaturen nicht vertragen. Nun ist es einem Team um Dr. Thomas Unold gelungen, anorganische Perowskit-Halbleiter bei moderaten Temperaturen herzustellen, sodass sie künftig auch in verschiedenen Dünnschicht-Zellen genutzt werden könnten.

Dafür entwarfen die Physiker ein innovatives Experiment, mit dem sie viele Materialkombinationen innerhalb einer einzigen Probe synthetisieren und analysieren konnten. Durch Ko-Verdampfung von Cäsiumiodid und  Bleiiodid  stellten sie dünne Schichten aus CsPbI3 her, wobei sie systematisch die Überschüsse der Elemente in der Atmosphäre variierten. Die Substrat-Temperatur lag dabei unter 60 Grad Celsius.

„Durch einen solchen kombinatorischen Forschungsansatz können optimale Herstellungsparameter für neue Materialsysteme viel schneller gefunden werden als in der herkömmlichen Herangehensweise, bei der für 100 Zusammensetzungen typischerweise 100 Proben hergestellt werden müssen“, erklärt Unold. Durch sorgfältige Analysen während der Synthese und der anschließenden Messungen der optoelektronischen Eigenschaften konnten sie ermitteln, wie sich die Zusammensetzung der Dünnschicht auf die Materialeigenschaften auswirkt.

Ihre Messungen zeigen, dass sowohl die strukturellen wie auch wichtige optoelektronische Materialeigenschaften empfindlich vom Verhältnis zwischen Cäsium und Blei abhängen. So ermöglicht ein Cäsium-Überschuss eine stabile Perowskit-Phase mit guter Beweglichkeit und Lebensdauer der Ladungsträger.

In Zusammenarbeit mit der Nachwuchsgruppe von Prof. Steve Albrecht am HZB wurden mithilfe dieser optimierten CsPbI3-Schichten Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 12 % und einer Stabilität von mehr als 1200 Stunden demonstriert. “Wir haben gezeigt, dass sich auch anorganische Perowskit-Absorber für den Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen eignen könnten, wenn man sie entsprechend herstellen kann. Wir gehen gegenwärtig davon aus, dass sich solche Bauelemente noch sehr stark optimieren lassen“, sagt Unold.

Published in Advanced Energy Materials (2019):

"Low temperature synthesis of stable CsPbI3 perovskite layers for solar cells obtained by high throughput experimentation"; Pascal Becker, José A. Márquez, Justus Just, Amran Al-Ashouri, Charles Hages, Hannes Hempel, Marko Jošt, Steve Albrecht, Ronald Frahm and Thomas Unold.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Zwei Humboldt-Fellows am HZB
    Nachricht
    09.12.2024
    Zwei Humboldt-Fellows am HZB
    Zwei junge Wissenschaftler sind zurzeit als Humboldt-Postdoktoranden am HZB tätig. Kazuki Morita bringt seine Expertise in Modellierung und Datenanalyse in die Solarenergieforschung im Team von Prof. Antonio Abate ein. Qingping Wu ist Experte für Batterieforschung und arbeitet mit Prof. Yan Lu zusammen an Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte.

  • Weniger ist mehr: Warum ein sparsamer Iridium-Katalysator so gut funktioniert
    Science Highlight
    05.12.2024
    Weniger ist mehr: Warum ein sparsamer Iridium-Katalysator so gut funktioniert
    Für die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.
  • Batterieforschung mit dem HZB-Röntgenmikroskop
    Science Highlight
    18.11.2024
    Batterieforschung mit dem HZB-Röntgenmikroskop
    Um 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.