Hybride Tandem-Solarzellen basierend auf der monolithischen Verbindung von Halid Perowskit und organischen Solarzellen (MUJUPO2)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Selina Olthof; Professor Dr. Thomas Riedl
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415231147

Tandem-Solarzellen bestehen aus einer Reihenschaltung von Zellen mit unterschiedlicher Energielücke und erlauben gegenüber Einzelzellen geringere Thermalisierungsverlusten und damit eine erhöhte Effizienz. In der 2-jährigen ersten Phase dieses Projektes wurden Perowskitmaterialien mit großer Energielücke (beispielsweise FA0.8Cs0.2Pb(I0.5Br0.5)3) hinsichtlich ihrer fundamentalen Eigenschaften und ihrer Anwendung in Solarzellen untersucht. Durch die Optimierung der Grenzflächen konnten Verlustprozesse minimiert werden, woraus Perowskitsolarzellen mit großer Bandlücke (Eg = 1.85 eV) mit einer hohen offenen Klemmspannung (VOC) von 1.34 V bei gleichzeitig hohem Füllfaktor von 80% resultierten. Für die Sub-zelle mit kleiner Energielücke wurden ternäre Mischungen organischer Moleküle, basierend auf der Kombination eines Fullerens mit sogenannten non-fullerene Akzeptoren (NFA). Hiermit konnten Effizienzen von 17.5% erreicht werden. Im Dauerbetrieb waren diese Zellen überraschend stabil (>1,0000 Stunden ohne merkliche Degradation), solange die Exzitonen ausschließlich auf dem NFA erzeugt wurden. Dies entspricht der Situation in einer Tandemzelle. Hervorzuheben ist zudem die Entwicklung eines Rekombinationskontaktes, basierend auf einer ultra-dünnen (1.5 nm) Indiumoxid Schicht mit metallischen Eigenschaften. Diese wird mittels Atomlagenabscheidung hergestellt und erzielt beispiellos niedrige optische und elektrische Verluste. Die resultierenden Perowskit/Organik Tandemsolarzellen erreichten eine Effizienz von 23.5%, was einen neuen Meilenstein für Perowskit/Organik Tandemzellen markiert und gleichzeitig die besten p-i-n Perowskitsolarzellen übertrifft. In der zweiten Phase des Projektes werden wir Perowskite mit großer Energielücke erkunden, wie z.B. die voll-anorganischen Systeme CsPbxSn1-xBr3 oder CsPb(IxBr1-x)3, mit denen wir die Langzeitstabilität der Zellen weiter verbessern wollen. Wir werden optimale Ladungsextraktionsschichten ermitteln die eine hohe Stabilität und einen kleinstmöglichen Verlust in Voc ermöglichen. Ein Hauptziel des Projektes ist es, die maßgebenden Prozesse an den Grenzflächen aufzuklären, um deren Einfluss auf die Phasensegregation und die Aufspaltung der quasi-Ferminiveaus zu ermitteln. Damit sollen Beobachtungen der ersten Projektphase verstanden und für weitere Verbesserungen genutzt werden. Die Bauelementcharakteristika werden mit den Ergebnissen einer detaillierten Vermessung der elektronischen Struktur mittels Photoelektronenspektroskopie korreliert. Die Eigenschaften der Organik Sub-zelle mit kleiner Energielücke werden gezielt dahingehend untersucht, um die unerwartete Stabilität unser NFA Zellen zu verstehen und zu klären ob sich diese Erkenntnisse auch auf andere NFA Materialien übertragen lassen - insbesondere auf Systeme mit reduzierter Energielücke. Unser Ziel am Ende der zweiten Phase ist, Perowskit/Organik Tandemzellen zu realisieren welche die aktuell besten Perowskit/Perowskit Tandemzellen übertreffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen