Mehr Strom aus der Sonne
Oberflächenmodifizierung für effektivere mikrostrukturierte Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen
Eine Beschichtung von Solarzellen mit speziellen organischen Molekülen könnte einer neuen Generation von Solarmodulen den Weg ebnen. Wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, kann die Beschichtung den Wirkungsgrad monolithischer Tandemzellen aus Silizium und Perowskit erhöhen und die Kosten senken – da diese nun auf Basis industrieller mikrostrukturierter Standard-Siliziumwafern produziert werden könnten.
(c) Wiley-VCH
In Solarzellen „schlägt“ Licht Elektronen aus einem Halbleitermaterial heraus und hinterlässt positiv geladene „Löcher“. Diese Ladungsträger werden voneinander getrennt und können als Strom abgeführt werden. Um das Spektrum des Sonnenlichts besser auszunutzen und so den Wirkungsgrad zu erhöhen, wurden Tandemzellen entwickelt: Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleitern, die Licht verschiedener Wellenlängenbereiche absorbieren. In Frage kommen vor allem Kombinationen aus Silizium, das vor allem rotes und nahinfrarotes Licht aufnimmt, und Perowskit (Calcium-Titan-Oxid), das sichtbares Licht sehr effektiv nutzen kann. Monolithische Tandemzellen entstehen, indem ein Träger nacheinander mit den zwei Halbleitertypen beschichtet wird. Im Fall von Perowskit/Silizium gelingt dies auf Basis von Silizium-Wafern, die im Zonenschmelz-Verfahren hergestellt wurden und eine polierte oder nanostrukturierte Oberfläche haben. Diese sind jedoch sehr teuer. Deutlich kostengünstiger sind nach dem Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellte Siliziumwafer mit pyramidalen Strukturelementen im Mikrometermaßstab. Diese Mikrotexturen sorgen für einen besseren Lichteinfang, weil sie weniger reflektieren als eine glatte Oberfläche. Bei der Beschichtung mit Perowskit entstehenden jedoch Kristallgitter mit sehr vielen Defekten, die die elektronischen Eigenschaften verschlechtern. Zum einen wird die Weitergabe der freigesetzten Elektronen beeinträchtigt, zum anderen verlaufen Elektron-Loch-Rekombinationen vermehrt über strahlungslose Vorgänge. Wirkungsgrad und Stabilität der Perowskit-Schicht nehmen ab.
Das chinesische Team von der Universität Nanchang, Suzhou Maxwell Technologies, dem CNPC Tubular Goods Research Institute (Shaanxi), der Polytechnischen Universität Hong Kong, der Technischen Universität Wuhan sowie der Fudan-Universität (Shanghai) um Kai Yao hat jetzt eine Strategie zur Oberflächenpassivierung entwickelt, mit der sich die Oberflächendefekte der Perowskit-Schicht ausgleichen lassen. Eine Thiophenethylammonium-Verbindung mit einer Trifluormethylgruppe (CF3-TEA) wird durch eine dynamische Sprühbeschichtung aufgetragen. Dabei wird eine sehr einheitliche Abdeckung erreicht – auch auf mikrostrukturierten Oberflächen.
Dank der hohen Polarität und Bindungsenergie schwächt die CF3-TEA-Beschichtung die Wirkung der Oberflächendefekte sehr effektiv ab. Strahlungslose Rekombinationen werden unterdrückt und die elektronischen Niveaus werden so korrigiert, dass die Elektronen an der Grenzfläche effektiver an die elektroneneinfangende Schicht der Solarzelle abgegeben werden. So sorgt die Oberflächenmodifikation mit CF3-TEA dafür, dass Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen auf Basis gängiger texturierter Wafern aus Czochralski-Silizium sehr hohe Wirkungsgrade von fast 31% erreichen und lange Zeit stabil arbeiten.
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