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Auch »löchrige« Zellen funktionieren: Perowskit-Solarzellen müssen nicht »perfekt« sein

Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen wuchs in nur 10 Jahren von 2 auf 22 Prozent, allerdings weisen die mit heutiger Technik aufgetragenen Substrate Fehlstellen auf, die zur Besorgnis Anlass geben. Diese ist unbegründet, wie Forscher jetzt herausfanden.

Perowskit-Schicht Bildquelle: © HZB

Vereinfachter Querschnitt durch eine Perowskit-Solarzelle: Die Perowskit-Schicht weist »Löcher« auf, dennoch werden Kurzschlüsse verhindert.

Dünnschichtsolarzellen aus metallorganischen Perowskiten haben in nur zehn Jahren ihren Wirkungsgrad von 2,2 auf 22 Prozent gesteigert, eine Verbesserung, die bei Silizium-Solarzellen 50 Jahre in Anspruch nahm. Zudem lassen sie sich preisgünstig und großflächig durch Aufschleudern einer Perowskit-Lösung und anschließendem Ausheizen herstellen, wobei das Lösungsmittel verdampft und das Material auskristallisiert.

Allerdings ist die beim Aufschleudern entstehende Dünnschicht nicht gleichmäßig und besitzt zahlreiche »Löcher«, die zu Kurzschlüssen führen könnten, wenn die angrenzenden Schichten der Solarzelle in Kontakt kommen. Dies müsste den Wirkungsgrad erheblich reduzieren, was allerdings in der Praxis nicht beobachtet wird.

Das Team Professor Marcus Bärs vom Helmholtz-Zentrum Berlin und die Spectro-Microscopy Gruppe des Fritz-Haber-Instituts nahmen Proben des Perowskit-Pioniers Henry Snaith mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopen unter die Lupe. Anschließend analysierten sie spektromikroskopisch an der Photonenquelle 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.

Die Energiebarriere, die die Ladungsträger überwinden müssten, um  beim direkten Aufeinandertreffen der Kontaktschichten miteinander zu rekombinieren, erwies sich als vergleichsweise hoch. »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.