Einfachere Herstellung von anorganischen Perowskit-Solarzellen bringt Vorteile

Untersuchungen an BESSY II belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms sogar positiv beeinflusst

Unter dem Rasterelektronenmikroskop sieht die CsPbI₃-Schicht (große Blöcke im oberen Teil des Bildes) auf dem FTO-Substrat nach Ausglühen unter Umgebungsluft fast genauso aus wie nach Ausglühen unter kontrollierten Bedingungen. © HZB

Anorganische Perowskit-Solarzellen aus CsPbI₃ sind langzeitstabil und erreichen gute Wirkungsgrade. Ein Team um Prof. Antonio Abate hat nun an BESSY II Oberflächen und Grenzflächen von CsPbI₃-Schichten analysiert, die unter unterschiedlichen Bedingungen produziert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms nicht negativ beeinflusst, sondern sogar zu weniger Defekten führt. Dies könnte die Massenanfertigung von anorganischen Perowskit-Solarzellen weiter vereinfachen.

Metallhalogenid-Perowskite besitzen optoelektronische Eigenschaften, die für Photovoltaik und Optoelektronik bestens geeignet sind. Bei ihrer Entdeckung in 2009 erreichten Halogenidperowskite in Solarzellen einen Wirkungsgrad von 3,9 Prozent, der sich extrem rasch steigern ließ. Die besten (organischen) Perowskit-Solarzellen schaffen heute Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent. Allerdings ist die Langzeitstabilität bei diesen Solarzellen ein Problem, weil sie organische Kationen wie Methylammonium enthalten, die hohe Temperaturen und Feuchtigkeit nicht gut vertragen. Methylammonium lässt sich jedoch durch anorganische Kationen wie Cäsium ersetzen. Anorganische Halogenid-Perowskite mit der Summenformel CsPbX₃ (wobei X für ein Halogenid wie Chlorid, Bromid und Iodid steht) bleiben selbst bei über 300 °C stabil. Die besten optischen Eigenschaften für die Photovoltaik besitzt CsPbI₃ (Bandlücke ∼1,7 eV).

Ausglühen unter kontrollierter Atmosphäre

In der Regel werden Perowskit-Halbleiter aus einer Lösung auf ein Substrat aufgeschleudert oder gedruckt und in Handschuhboxen unter einer kontrollierten Atmosphäre verarbeitet: Dort verdampft das Lösungsmittel durch Erhitzung, worauf sich eine dünne Perowskit-Schicht auskristallisiert. Diese „kontrollierte Umgebung“ erhöht den Aufwand und die Kosten erheblich.

…oder in Umgebungsluft

Tatsächlich ist seit einiger Zeit bekannt, dass CsPbI₃-Schichten auch unter Umgebungsbedingungen ausgeglüht werden können. Dabei zeigen die Proben, die in Umgebungsluft geglüht wurden, Wirkungsgrade von 19,8 Prozent, sind also sogar etwas besser, als Proben, die unter kontrollierten Bedingungen ausgeglüht wurden. Unklar aber war bisher, warum dies so ist.

Was geschieht an den Grenzflächen?

„Dafür haben wir die Grenzflächen zwischen CsPbI₃ und dem angrenzenden Material im Detail untersucht, mit einer Reihe von Methoden, nicht nur unter dem Elektronenmikroskop, sondern auch mit Photolumineszenzverfahren und an BESSY II“, sagt Dr. Zafar Iqbal, Erstautor und Postdoc im Team von Prof. Antonio Abate.

BESSY II: weniger Defekte, bessere Mobilität

An BESSY II konnte ein Team um Prof. Marcus Bär mit harter Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) die chemische und elektronische Struktur der unterschiedlich geglühten CsPbI₃- und Perowskit/Lochtransportschicht-Grenzfläche analysieren. „Bei den Proben, die unter Umgebungsluft geglüht wurden, beobachten wir eine Oberflächenmodifikation, die die Beweglichkeit der Ladungsträger an der Grenzfläche verbessert“, erklärt Iqbal. Optische Spektroskopie-Messungen zeigten, dass durch das Ausglühen an der Luft weniger Defekte entstehen und weniger Ladungsträger verloren gehen.

Die Aufskalierung der Produktion könnte sich vereinfachen

„Unsere Studie erklärt nun, warum das Ausglühen von CsPbI₃-Filmen in Umgebungsluft so gut funktioniert“, sagt Iqbal. Dies könnte insbesondere für die Aufskalierung von Produktionsverfahren für eine mögliche Massenfertigung interessant sein.

Hinweis: Zafar Iqbal wurde während seiner Promotion in der Abate-Gruppe durch ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) finanziert.

Publikation:

J. Am. Chem. Soc. (2024): Unveiling the Potential of Ambient Air Annealing for Highly Efficient Inorganic CsPbI3 Perovskite Solar Cells
Zafar Iqbal, Roberto Félix, Artem Musiienko, Jarla Thiesbrummel, Hans Köbler, Emilio Gutierrez-Partida, Thomas W. Gries, Elif Hüsam, Ahmed Saleh, Regan G. Wilks, Jiahuan Zhang, Martin Stolterfoht, Dieter Neher, Steve Albrecht, Marcus Bär, Antonio Abate, and Qiong Wang
DOI: 10.1021/jacs.3c11711

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Zafar Iqbal
Active Materials and Interfaces for Stable Perovskite Solar Cells
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zafar.iqbal(at)helmholtz-berlin.de

Dr. Antonia Rötger
Pressekontakt
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Pressemitteilung HZB vom 17.04.2024