Leistungs- und Lebensdauerverbesserung von Halogenid-Perowskiten
Wesentlich für die Lösung war das erfolgreiche Erkennen kritischer Parameter, die die Leistung und Lebensdauer von Halogenid-Perowskiten bestimmen. Diese Materialien gelten als vielversprechend für Photovoltaikanwendungen. Ihre einzigartige Kristallstruktur bietet zahlreiche Vorteile. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Das Forschungsteam - geleitet von Assistenzprofessor Lin Yen-Hung - analysierte diverse Methoden zur Passivierung. Dieser chemische Prozess verringert die Anzahl der Defekte oder mindert deren Auswirkungen, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der entsprechenden Geräte zu verbessern. Im Fokus stand die Familie der "Amino-Silan"-Moleküle, um die Perowskit-Solarzellen zu passivieren.
Die Bedeutung der Passivierung
„Passivierung in verschiedenen Formen war entscheidend für die Effizienzsteigerung der Perowskit-Solarzellen im letzten Jahrzehnt“, erläuterte Professor Lin. Er ergänzte, dass die effektivsten Passivierungswege oftmals keine signifikanten Verbesserungen in der langfristigen Stabilität bringen.
Erstmals stellte das Team dar, wie unterschiedliche Arten von Aminen - primäre, sekundäre und tertiäre - sowie deren Kombinationen die Oberflächen der Perowskit-Filme verbessern können. Viele Defekte treten hier auf. Um die Moleküle mit den Perowskiten zu beobachten, verwendeten sie „ex-situ“- und „in-situ“-Methoden.
Erhöhung der Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY)
Auf dieser Grundlage identifizierten die Forscher Moleküle, die die PLQY erheblich steigern. Dies bedeutet eine geringere Defektanzahl und eine bessere Materialqualität. „Dieser Ansatz ist entscheidend für die Entwicklung von Tandem-Solarzellen. Diese kombinieren mehrere Schichten photoaktiver Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken. Dadurch maximiert das Design die Nutzung des Sonnenlichts,“ sagte Professor Lin.
Erfolgreiche Solarzellen-Demonstration
In ihrer Solarzellen-Demonstration stellten die Wissenschaftler Geräte in mittlerer (0,25 cm²) und großer Größe (1 cm²) her. Das Experiment verzeichnete einen geringen Photovoltageverlust über ein breites Bandgap-Spektrum. Diese Geräte erreichten hohe Leerlaufspannungen. Diese überstiegen 90% des thermodynamischen Limits. Ein Vergleich mit mehr als 1.700 Datensätzen aus bestehender Literatur zeigte: Ihre Ergebnisse sind unter den besten hinsichtlich der Energieumwandlungseffizienz.
Bemerkenswerte Betriebsstabilität
Noch wichtiger war die bemerkenswerte Betriebsstabilität der mit Aminosilan passivierten Zellen. Diese wurde unter dem International Summit on Organic Solar Cells (ISOS)-L-3-Protokoll getestet. Ungefähr 1.500 Stunden nach Beginn des Alterungsprozesses wiesen die Effizienzwerte der Zellen weiterhin hohe Werte auf.
Das Maximum an Leistungspunkt (MPP)-Effizienz und die Energieumwandlungs-effizienz (PCE) blieben hoch. Für die am besten passivierten Zellen betrugen die MPP-Effizienz 19,4% und die PCE 20,1%. Dies zählt zu den höchsten, wenn man die Bandgap-Faktorisierung berücksichtigt und zu den langfristig besten Werten, die bislang berichtet wurden.
Industriekompatibilität des Verfahrens
Professor Lin betonte, dass der Behandlungsprozess nicht nur die Effizienz und Haltbarkeit der Perowskit-Solarzellen erhöht. Diese Methode lässt sich auch mit der industriellen Großproduktion kombinieren. „Der Prozess ist dem HMDS (Hexamethyl-disilazan)-Priming-Prozess ähnlich, der in der Halbleiterindustrie weit verbreitet ist“, erklärte er. Derartige Ähnlichkeiten lassen darauf schließen, dass ihre neue Methode problemlos in bestehende Herstellungsprozesse integriert werden kann.
Multidisziplinäres Team mit internationalen Partnern
Das Team umfasste den Doktoranden Cao Xue-Li, den Senior Manager Dr. Fion Yeung vom State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies sowie Kooperationspartner von der Universität Oxford und der Universität Sheffield. Die Zusammenarbeit zeigt, wie wichtig interdisziplinäre Ansätze in der Forschung sind. Der Weg zu nachhaltigeren und effizienteren Energiequellen wird damit weiter geebnet.
Quelle: Yen-Hung Lin et al, Bandgap-universal passivation enables stable perovskite solar cells with low photovoltage loss, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado2302