Grenzflächen in Vollperowskit-Tandemsolarzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Glunz; Professor Dr. Jan Christoph Goldschmidt; Professor Dr. Stefan Weber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506702510

Vollperowskit-Tandemsolarzellen versprechen hohe Wirkungsgrade und niedrige Kosten. Hybride Perowskite zeichnen sich dadurch aus, dass mit relativ einfachen Verfahren Schichten von nur wenigen hundert Nanometern und geringer Defektdichte hergestellt werden können. Die Tandemgeometrie ermöglicht Wirkungsgrade jenseits der Strahlungsgrenze von Solarzellen mit nur einem Bandübergang. Trotz der raschen Fortschritte stehen Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen noch vor mehreren Herausforderungen: (i) Die Stabilität der Absorber. Der hohe Bromidgehalt, der für eine hohe Bandlücke des Absorbers der oberen Zelle erforderlich ist, kann zu Phasenseparation führen, während Sn2+ im Absorber mit niedriger Bandlücke zu Sn4+ oxidieren kann. (ii) Oberflächenrekombination an der Grenzfläche zwischen Absorber und Elektronentransportschichten (ETL) oder an einer der verschiedenen Verbindungsschichten, z. B. durch laterale Heterogenität und Stromlecks. Darüber hinaus können der Verlust von flüchtigen Bestandteilen, Ionenmigration oder chemische Reaktionen zu Ladungs-Fallen und Rekombination oder Extraktionsbarrieren führen. (iii) Optische Verluste, wie z. B. parasitäre Absorptionsverluste in Ladungstransport- und Verbindungsschichten, Reflexionsverluste und unvollständige Absorption, die insbesondere die Stromstärke der unteren Solarzelle mit niedriger Bandlücke begrenzen. Der Schlüssel zur Lösung dieser Herausforderungen liegt in den vielen Grenzflächen in einer Tandemsolarzelle. Zu den Strategien gehören Additive, Grenzflächenpassivierung, neue Kontaktmaterialien und die Ausdünnung von Ladungstransport- und Verbindungsschichten sowie die Strukturierung zur Erhöhung der Absorption. Für eine zielgerichtete Optimierung von Tandemzellen ist ein gründliches Verständnis der zugehörigen Grenzflächen von entscheidender Bedeutung für die weitere Technologieentwicklung. Ziel dieses Projektes ist es daher, die physikalischen und chemischen Effekte zu untersuchen, die zu Leistungsverlusten an den Grenzflächen von Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen führen. Zu diesem Zweck werden wir Perowskit-Perowskit-Tandembauteile herstellen und fortschrittliche, ortsaufgelöste Charakterisierungswerkzeuge entwickeln, die durch theoretische Modellierung von Grenzflächeneffekten im Nanomaßstab bis hin zur Bauteilebene ergänzt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2196: Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung