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Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie hat ein neues Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen vorgestellt. Mit einer dünnen Keimschicht aus Cäsiumchlorid gelang es, den Wirkungsgrad auf 30,3 Prozent zu heben. Für Tandemzellen, die im Vakuumverdampfungsverfahren gefertigt werden, ist das ein hoher Wert.
Das technische Problem und seine Ursache
Monolithische Perowskit-Silizium-Tandemzellen bestehen aus einer dünnen Perowskit-Schicht, die über industriell etablierte Co-Verdampfung aufgebracht wird. Zwischen Silizium und Perowskit liegt eine sogenannte SAM-Schicht, kurz für selbstorganisierte Monoschicht. Sie übernimmt den Lochtransport. Das Problem: Die SAM-Schicht bildet sich auf texturiertem Silizium ungleichmäßig aus.
Texturiertes Silizium hat eine nanoskopische Oberflächenstruktur. Diese erhöht die Lichtausbeute, erschwert aber das gleichmäßige Aufwachsen der Funktionsschichten. Die HZB-Forscher haben mit einem Infrarot-Nahfeld-Rastersondenmikroskop nachgewiesen, dass sich SAM-Moleküle bevorzugt in den Tälern der Textur ansammeln, was zu Schichten mit ungleichmäßiger Dicke führt.
Eine weitere Messmethode, die Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie am Synchrotron BESSY II in Berlin, zeigte: Das Perowskit kann die darunter liegende Ungleichmäßigkeit nicht ausgleichen. An der Grenzfläche bildet sich unerwünschtes Bleiiodid, ein Defekt, der den Wirkungsgrad mindert.
Lösung: Keimschicht aus Cäsiumchlorid
Die Forscher haben das Problem durch eine sehr dünne Schicht aus Cäsiumchlorid gelöst, die zwischen SAM und Perowskit eingefügt wird. Diese Keimschicht steuert das Kristallwachstum des Perowskits. Die Körner wachsen größer und gleichmäßiger, Grenzflächenfehler werden unterdrückt.
Die so gefertigten Tandemzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 30,3 Prozent. Das Verfahren kommt vollständig ohne Lösungsmittel aus. Das ist für die Praxis relevant, weil lösungsmittelfreie Prozesse in der Regel zu stabileren Schichten führen. Langzeitstabilität ist eine der zentralen Hürden bei der Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen.
Relevanz für die industrielle Fertigung
Vakuumverdampfung ist ein in der Halbleiterindustrie und der Dünnschicht-Photovoltaik etabliertes Verfahren. Es lässt sich gut skalieren und erzeugt homogene Schichten auf großen Flächen. Der Ansatz des HZB knüpft direkt an diese industrielle Logik an.
Ein zentrales Problem bisheriger Laborergebnisse war die Übertragbarkeit auf industrielle Substrate. Texturiertes Silizium ist in der Massenproduktion Standard. Viele Hocheffizienz-Ergebnisse wurden jedoch auf planaren Laborsubstraten erzielt, die sich industriell kaum einsetzen lassen. Das neue Verfahren wurde explizit auf texturierten, industriell relevanten Substraten entwickelt und erprobt.
Für Unternehmen, die in der Photovoltaikproduktion aktiv sind oder Anlagen dafür liefern, ist das relevant: Das Verfahren setzt auf eine bekannte Prozesskette und erweitert sie um einen zusätzlichen, kontrollierbaren Schritt. Cäsiumchlorid ist kein exotisches Material.
Fazit
Der Wirkungsgrad von 30,3 Prozent ist beachtlich. Gewicht hat aber vor allem der methodische Ansatz: Das Verfahren wurde auf texturierten Substraten erprobt und kommt ohne Lösungsmittel aus. Beides sind Voraussetzungen für eine spätere Skalierung. Bis zur Serienreife sind weitere Schritte nötig, insbesondere der Nachweis von Langzeitstabilität unter realen Betriebsbedingungen.
