Effizienz von Perowskit-Solarzellen durch gezielte Oberflächenbehandlung steigern
Ein Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, um den Wirkungsgrad von Silizium/Perowskit-Tandemsolarzellen zu erhöhen, indem sie spezielle organische Moleküle zur Oberflächenbeschichtung verwenden, die Oberflächendefekte ausgleichen und die Effizienz der Lichtnutzung verbessern.
Oberflächendefekte bei Solarzellen durch gezielte Modifikation der Beschichtung reduzieren. (Symbolbild).
Foto: PantherMedia / WichienTep
Ein Forschungsteam hat in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie über eine neue Methode zur Steigerung der Effizienz von Silizium/Perowskit-Tandemsolarzellen berichtet. Durch die Verwendung spezieller organischer Moleküle zur Oberflächenbeschichtung könnte der Wirkungsgrad dieser Zellen erheblich verbessert werden.
Aufbau und Herstellung von Tandemzellen
In Solarzellen führt die Einwirkung von Licht dazu, dass Elektronen aus einem Halbleitermaterial herausgeschlagen werden, wobei positiv geladene „Löcher“ zurückbleiben. Diese Ladungsträger werden anschließend voneinander getrennt und können als elektrischer Strom abgeführt werden. Um das Sonnenlichtspektrum effizienter zu nutzen und somit den Wirkungsgrad der Zellen zu steigern, wurden Tandemzellen entwickelt. Diese bestehen aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien, die jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts absorbieren. Besonders geeignet sind Kombinationen aus Silizium, das primär rotes und nahinfrarotes Licht aufnimmt, und Perowskit (Calcium-Titan-Oxid), welches sichtbare Licht sehr effektiv nutzt.
Monolithische Tandemzellen werden hergestellt, indem ein Substrat nacheinander mit den beiden Halbleitermaterialien beschichtet wird. Bei Perowskit/Silizium-Tandemzellen werden häufig Silizium-Wafer verwendet, die im Zonenschmelzverfahren produziert wurden. Diese Wafer zeichnen sich durch eine polierte oder nanostrukturierte Oberfläche aus, sind allerdings kostenintensiv. Eine kostengünstigere Alternative bieten Silizium-Wafer, die durch das Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt werden. Diese Wafer besitzen pyramidenförmige Mikrostrukturen im Mikrometerbereich, die den Lichteinfall verbessern, da sie weniger reflektieren als glatte Oberflächen.
Probleme bei der Perowskit-Beschichtung
Allerdings entstehen bei der Beschichtung dieser Wafer mit Perowskit Kristallgitter, die eine hohe Anzahl an Defekten aufweisen. Diese Defekte beeinträchtigen die elektronischen Eigenschaften der Schicht. Zum einen wird die Weiterleitung der freigesetzten Elektronen gestört, und zum anderen treten vermehrt strahlungslose Elektron-Loch-Rekombinationen auf. Diese Prozesse führen zu einer Verringerung des Wirkungsgrads und der Stabilität der Perowskit-Schicht.
Oberflächenmodifizierung für effektivere mikrostrukturierte Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen.
Foto: Wiley-VCH
Neue Strategie zur Oberflächenpassivierung entwickelt
Forschende unter der Leitung von Kai Yao aus verschiedenen renommierten Institutionen Chinas haben eine neue Strategie zur Oberflächenpassivierung (Behandlung oder Modifikation der Oberfläche eines Materials) entwickelt. Diese Methode gleicht die Defekte in der Perowskit-Schicht aus. Sie nutzen eine Verbindung namens Thiophenethylammonium mit einer Trifluormethylgruppe (CF3-TEA), die durch dynamisches Sprühbeschichten aufgebracht wird. Diese Technik sorgt für eine gleichmäßige Abdeckung, sogar auf mikrostrukturierten Oberflächen.
Durch ihre hohe Polarität und Bindungsenergie reduziert die CF3-TEA-Beschichtung die Auswirkungen von Oberflächendefekten äußerst effektiv. Diese Oberflächenmodifikation mit CF3-TEA ermöglicht es, dass Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen, die auf den weit verbreiteten, texturierten Czochralski-Silizium-Wafern basieren, sehr hohe Wirkungsgrade von nahezu 31% erreichen und über längere Zeit stabil bleiben. Anderen Angaben zufolge (KIT-Institut) sind sie von über 33 % erheblich effizienter als traditionelle Silizium-Solarzellen.
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