Perowskit-Solarzellen erklimmen neues Leistungs-Hoch

In einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Pavia (Italien) und dem Center for Advancing Electronics Dresden an der Technischen Universität Dresden (Deutschland) haben Forscherinnen und Forscher eine neuartige Methode zur Herstellung von Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen mit Rekordwirkungsgrad entwickelt. Eine Veröffentlichung dazu erfolgte jetzt in der renommierten Zeitschrift ‚Science Advances‘.

Metallhalogenid-Perowskite wurden in den letzten zehn Jahren intensiv untersucht, da ihre Leistungsfähigkeit in optoelektronischen Bauteilen wie Solarzellen oder Leuchtdioden bemerkenswert gestiegen ist. Die effizientesten Bauelemente, die in der so genannten „Standard-Architektur“ hergestellt werden, erfordern in der Regel Verarbeitungsschritte bei hohen Temperaturen, was die Zeit erhöht, bis sich die in sie investierte Energie amortisiert. Zudem schränken diese Verfahren die Möglichkeit ein, solche Bauteile in neuartigen Anwendungen wie flexibler und tragbarer Elektronik zu integrieren. Eine alternative Bauelement-Architektur – die so genannte „invertierte Architektur“ – macht die Verarbeitung bei Hochtemperaturen überflüssig, führt aber im Allgemeinen zu einem geringeren photovoltaischen Wirkungsgrad.

Im Rahmen einer gemeinsamen Forschungsarbeit der Universität Pavia (Italien) und der Technischen Universität Dresden (Deutschland) haben Forscher:innen eine neuartige Methode entwickelt, um die Effizienz von Solarzellen mit invertierter Architektur deutlich zu verbessern. Die Methode basiert auf einer Modifizierung der Grenzflächen der aktiven Perowskit-Schicht durch Einbringen geringer Mengen organischer Halogenidsalze sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite. Solche organischen Halogenidsalze, die üblicherweise für die Bildung zweidimensionaler Perowskite verwendet werden, führen zur Unterdrückung struktureller Fehler und zur einer Passivierung von Defektzuständen in der Perowskitschicht. Mit diesem Ansatz hat das Team einen Wirkungsgrad von 23,7 % erreicht – der höchste, der bisher für eine Perowskit-Solarzelle mit invertierter Architektur veröffentlicht wurde.

„Besonders hervorzuheben ist, dass die Verbesserung der Leistung mit einer Erhöhung der Stabilität des Bauelements einherging“, sagt Prof. Giulia Grancini, Professorin für Chemie an der Universität Pavia. In Anbetracht der Tatsache, dass die Stabilität von Perowskit-Solarzellen nach wie vor eines der Haupthindernisse für Kommerzialisierung dieser Technologie darstellt, ist die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Stabilität besonders vielversprechend.

„Die Tatsache, dass unsere Bauelemente bei niedrigen Temperaturen von unter 100° C hergestellt werden, und dass unser Ansatz 1:1 auf die Herstellung großflächiger Bauelemente übertragbar ist, bringt uns der großtechnischen Markteinführung von Perowskit-Solarzellen einen Schritt näher“, fügt Prof. Yana Vaynzof hinzu, Inhaberin der Professur für Neuartige Elektronische Technologien am Institut für Angewandte Physik und Photonische Materialien (IAPP) sowie dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed).

Der von den Forscher:innen erzielte Rekordwirkungsgrad eröffnet Perowskit-Solarzellen neue Horizonte. In Anbetracht der verbesserten Stabilität und der Skalierbarkeit des neuartigen Ansatzes ist es nur eine Frage der Zeit, bis Perowskit-Solarzellen auf jedem Hausdach zu finden sein werden.

Die Arbeit wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Über das cfaed – Center for Advancing Electronics Dresden
Das cfaed ist ein Forschungscluster an der Technischen Universität Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es an der TUD als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung angesiedelt und integriert Mitglieder aus außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Sachsen und Sachsen-Anhalt sowie der TU Chemnitz. Der Cluster widmet sich den Grundlagen zukunftsfähiger Informationstechnologien, die mit den heutigen siliziumbasierten Bauelementen nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, verbindet der cfaed den Wissensdurst der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.
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Originalpublikation:

Titel: 23.7% Efficient inverted perovskite solar cells by dual interfacial modification
Autoren: Matteo Degani, Qingzhi An, Miguel Albaladejo-Siguan, Yvonne J. Hofstetter, Changsoon Cho, Fabian Paulus, Giulia Grancini and Yana Vaynzof
Sci. Adv. 7, eabj7930 (2021)
DOI: 10.1126/sciadv.abj7930
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7930

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