27. Januar 2023

Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein

HZB-Team erreicht mit verbesserter Materialstruktur Wirkungsgrade von bis zu 24,6% im Belastungstest

Modell der Perowskit-Schichten © G. Li/HZB

In der Kontroll-Perowskit-Schicht (links) bilden sich zwischen den Mikrokristallen Hohlräume. In der neuen Variante (rechts) polstert die dipolare Polymerverbindung die winzigen Kristalle ab und reduziert damit den thermomechanischen Stress. © G. Li/HZB

Vergleich der Schichten unter REM © G. Li/HZB

Unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) sind an den Korngrenzen des Kontroll-Perowskitfilms (links) deutliche Hohlräume zu erkennen. Diese Defekte können zu Verlusten führen und den Wirkungsgrad verringern. Mit Zugabe von b-pV2F (rechts) sind die Hohlräume geschrumpft. © G. Li/HZB

Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigt nun ein internationales Team unter der Leitung von Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

Die Materialklasse der Halogenid-Perowskite könnte Solarstrom noch effizienter und zu noch geringeren Kosten ermöglichen. Die Materialien sind sehr günstig, lassen sich mit minimalem Energieaufwand zu dünnen Schichten verarbeiten und erreichen bereits Wirkungsgrade, die deutlich über denen herkömmlicher Silizium-Solarzellen liegen.

Das Ziel: 20 Jahre im Außeneinsatz

Von Solarmodulen wird jedoch erwartet, dass sie unter Freilandbedingungen mindestens 20 Jahre lang eine stabile Leistung erbringen. Dabei müssen sie große Temperaturschwankungen aushalten. Silizium-Module schaffen das problemlos, während die halborganischen Perowskite recht schnell an Leistung verlieren. „Sonnenlicht kann das Innere einer PV-Zelle rasch auf 80 Grad Celsius aufheizen; im Dunkeln kühlt die Zelle dann sofort wieder auf Außentemperatur ab. Das löst große mechanische Spannungen in der Dünnschicht aus Perowskit-Mikrokristallen aus, die zu Defekten und sogar zu lokalen Phasenübergängen führen, so dass die Solarzelle an Qualität verliert“, erklärt Prof. Antonio Abate, der am HZB eine große Gruppe leitet.

Chemische Variationen

Gemeinsam mit seinem Team und internationalen Partnern hat er eine chemische Variante untersucht, die die Stabilität der Perowskit-Dünnschicht in verschiedenen Solarzellenarchitekturen deutlich verbessert. Besonders ausgeprägt war die Verbesserung in der so genannten p-i-n-Architektur, die normalerweise etwas weniger effizient ist als die häufiger verwendete n-i-p-Architektur.

Ein Polster gegen Stress

„Wir haben die Bauelementstruktur und die Prozessparameter optimiert, wobei wir auf frühere Ergebnisse aufbauen konnten. So gelang uns schließlich eine entscheidende Verbesserung mit b-Poly(1,1-difluorethylen) oder kurz b-pV2F“, sagt Guixiang Li, der unter der Leitung von Prof. Abate promoviert. b-pV2F-Moleküle ähneln einer Zickzackkette, die mit alternierenden Dipolen besetzt ist. „Dieses Polymer scheint sich wie eine weiche Schale um die einzelnen Perowskit-Mikrokristalle in der dünnen Schicht zu legen und bildet eine Art Polster gegen thermomechanische Belastungen“, erklärt Abate.

Rekordwirkungsgrad für p-i-n-Architektur: 24,6 %

Tatsächlich zeigen Aufnahmen unter dem Rasterelektronenmikroskop, dass sich die winzigen Körnchen in den Zellen mit b-pV2F enger aneinander schmiegen. „Außerdem verbessert die Dipolkette von b-pV2F den Transport von Ladungsträgern und erhöht damit die Effizienz der Zelle“, sagt Abate. Tatsächlich konnte die Gruppe im Labormaßstab Zellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 24,6 % herstellen, ein Rekord für die p-i-n-Architektur!

Ein Jahr Außeneinsatz unter extremen Belastungen!

Die so hergestellten Solarzellen mussten einen harten Test durchlaufen: mehr als hundert Zyklen zwischen +80° Celsius und -60° Celsius und 1000 Stunden kontinuierlicher 1-Sonnen-Äquivalent-Beleuchtung mussten sie aushalten. Das entspricht etwa einem Jahr Außeneinsatz. „Selbst unter diesen extremen Belastungen erreichten sie am Ende noch einen Wirkungsgrad von 96 %“, betont Abate. Das liegt schon in der richtigen Größenordnung. Wenn es nun gelingt, die Verluste noch ein wenig zu reduzieren, könnten Perowskit-Solarmodule auch nach 20 Jahren noch einen Großteil ihrer ursprünglichen Leistung erbringen – dieses Ziel rückt nun in greifbare Nähe.

Publikation:

Science (2023): Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations
Guixiang Li, Zhenhuang Su, Laura Canil, Declan Hughes, Mahmoud H. Aldamasy, Janardan Dagar, Sergei Trofimov, Luyao Wang, Weiwei Zuo, José J. Jerónimo-Rendon, Mahdi Malekshahi Byranvand, Chenyue Wang, Rui Zhu, Zuhong Zhang, Feng Yang, Giuseppe Nasti, Boris Naydenov, Wing C. Tsoi, Zhe Li, Xingyu Gao, Zhaokui Wang, Yu Jia, Eva Unger, Michael Saliba, Meng Li, Antonio Abate
DOI: 10.1126/science.add7331