Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2019

Jüngst haben organisch-anorganische Halbleitermaterialien der Metall-Halogenid-Perowskite (z. B. Methylammonium-Bleiiodid) Aufsehen durch rasante Effizienzsteigerungen in Solarzellen erregt. Diese Technologie hat sich in nur zehn Jahren von niedrigen 3,8% auf erstaunliche 23,7% Wirkungsgrad entwickelt. Perowskite bieten dabei den Vorteil der Prozessierung aus Lösung bei niedrigen Temperaturen und könnten dementsprechend in Zukunft relativ kostengünstig hergestellt werden. Weiterhin zeichnet sich diese Materialklasse durch eine hohe Qualität der optoelektronischen Eigenschaften aus. Durch die komplementäre und relativ flexible Anpassung der Absorption zu anderen Photovoltaikmaterialien, wie beispielsweise kristallines Silizium, ist eine Perowskit/Silizium-Tandemsolarzelle hochinteressant. Derartige Tandemsolarzellen ermöglichen die Reduktion der spektralen Verluste, welche bei Einzelsolarzellen über 50% liegen und unvermeidbar sind, und somit ein theoretisch höheres Wirkungsgradpotential.

Die Materialeigenschaften von Metall-Halogenid-Perowskiten für die Photovoltaik werden zusammen mit den jüngsten Entwicklungen der Perowskit/Silizium-Tandemtechnologie vorgestellt. In den letzten Jahren haben wir die erste monolithische Perowskit/Silizium-Heteroübergang-Tandemsolarzelle entwickelt. Mittels dreidimensionaler optischer Simulationen, dem Einsatz neuer Kontaktschichten und weiteren optischer Optimierung, speziell durch den Stromangleich beider Teilzellen, konnte der Tandem-Wirkungsgrad auf 26% gesteigert werden. Weiterhin wurde der Einsatz einer Lichtstreufolie und die mögliche Position von mikroskopischen Texturen im Tandembauteil experimentell und theoretisch untersucht bzw. verifiziert. Außerdem konnte durch Messungen der Photolumineszenzintensität der Perowskit-Absorber identifiziert werden, dass zur Erzielung höherer Wirkungsgrade speziell der Verlust aus nicht-strahlender Rekombination des Absorbers, induziert durch die ladungsselektiven Kontaktschichten, unterdrückt werden muss. Dazu werden neue ladungsselektive Loch-Kontaktschichten vorgestellt, welche sich als Molekül-Monolage selbst auf der Elektrodenoberfläche ausrichten. Diese Molekül-Monolage ermöglicht höhere Lebensdauern und Leerlaufspannungen und damit über 21% Effizienz in Perowskit-Einzelsolarzellen. Zum Schluss werden die zukünftigen wissenschaftlichen Herausforderungen vorgestellt, die notwendig sind, um mit den faszinierenden Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen die vorausgesagten Effizienzen von über 30% zu ermöglichen.