Perowskit-Silizium-Solarzellen verbinden zwei Halbleiter, die unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts nutzen. Die obere Perowskit-Schicht nimmt vor allem energiereiches, also kurzwelliges Licht auf, während die darunterliegende Siliziumzelle vorwiegend längerwellige Anteile verwertet. Eine Herausforderung besteht darin, die dünne Perowskit-Schicht großflächig, gleichmäßig und schnell aufzubringen. „Für die industrielle Fertigung zählt nicht nur der Wirkungsgrad, sondern auch, ob ein Prozess schnell, robust und skalierbar ist“, sagt Prof. Ulrich Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik und vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Wir konnten zeigen, dass ein besonders schneller Vakuumprozess nicht nur gleichmäßige Schichten erzeugt, sondern daraus auch effiziente Perowskit-Silizium-Solarzellen entstehen.“
CSS-Verfahren beschleunigt Beschichtung
Der schnelle Vakuumprozess beruht auf der Close-Space-Sublimation, kurz CSS. Dabei verdampfen die Ausgangsstoffe und reagieren auf der Siliziumzelle zu einer Perowskitschicht. Ein wichtiger Vorteil des CSS-Verfahrens ist der geringe Verbrauch des Ausgangsmaterials pro Beschichtung und die Wiederverwendbarkeit der Quellen. „Im Experiment war die Umwandlung nach 10 min abgeschlossen – für ein Vakuumverfahren ist das ein wichtiger Fortschritt“, erläutert die Co-Autorin Sofia Chozas-Barrientos von der Universität Valencia.
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 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“, sagt Co-Autor Dr. Alexander Diercks vom LTI. Über das Verhältnis dieser beiden Bestandteile konnten die Forscher den Bromanteil im fertigen Material kontrollieren und eine Bandlücke von 1,64 eV erreichen.
Ein Schritt in Richtung industrielle Produktion
Für eine industrielle Fertigung muss der CSS-Prozess auch auf strukturierten Oberflächen funktionieren, weil sie den Weg des Lichts in der Zelle verlängern und so die Absorption erhöhen. Die Forschenden testeten den CSS-Prozess daher auf Siliziumunterzellen mit glatter, 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 23,5 % Wirkungsgrad auf glatten, 23,7 % auf nanostrukturierten und 24,3 % auf mikrostrukturierten Siliziumzellen.