Ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Valencia hat ein schnelles, lösungsmittelfreies Vakuumverfahren weiterentwickelt, das Perowskit-Schichten auch auf strukturierten Siliziumoberflächen und bei hoher Rate gleichmäßig aufbringt. Der Prozess beruht auf der sogenannten Close-Space-Sublimation (CSS). Dabei verdampfen die Ausgangsstoffe und treffen auf die nur wenige Millimeter entfernte Siliziumzelle. Dort reagieren sie direkt zu einer Perowskit-Schicht. Ein wichtiger Vorteil des CSS-Verfahrens ist laut KIT der geringe Verbrauch des Ausgangsmaterials pro Beschichtung sowie die Wiederverwendbarkeit der Quellen.
Neben der gleichmäßigen Beschichtung muss die obere Perowskit-Schicht auch die passenden Lichtanteile aufnehmen. Diese Eigenschaft wird über die Bandlücke des Materials gesteuert: In der oberen Teilzelle muss sie größer sein, also wie ein Filter die jeweils richtigen Lichtanteile absorbieren und transmittieren, damit Perowskit und Silizium effizient aufeinander abgestimmt sind. Da Brom die Bandlücke vergrößern kann, testeten die Forschenden zunächst eine bromhaltige anorganische Vorläuferschicht. Bei der Umwandlung zum Perowskit blieb der gewünschte Anteil im Material jedoch nicht erhalten. »Die Lösung war eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid«, erklärt Co-Autor Alexander Diercks: »Über das Verhältnis dieser beiden Bestandteile konnten wir den Bromanteil im fertigen Material kontrollieren und eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt erreichen.«
Damit der CSS-Prozess für eine industrielle Fertigung geeignet ist, muss er auf unterschiedlichen Siliziumoberflächen funktionieren. Dazu zählen auch strukturierte Oberflächen, da diese den Weg des Lichts in der Zelle verlängern und somit die Absorption erhöhen. Die Forschenden testeten den CSS-Prozess daher auf Siliziumunterzellen mit glatter sowie nano- und mikrostrukturierter Oberfläche. Auf allen drei Oberflächen entstanden vergleichbare Perowskit-Schichten, ohne dass die Prozessparameter angepasst werden mussten.
Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalysen zeigten eine gleichmäßige Bedeckung. Die damit hergestellten Tandemsolarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 23,5 Prozent auf glatten, 23,7 Prozent auf nanostrukturierten und 24,3 Prozent auf mikrostrukturierten Siliziumzellen.
© PHOTON
