Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Valencia hat es erreicht, mittels eines Vakuumprozesses dünne Perowskit-Schichten zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen großflächig, gleichmäßig und schnell aufzubringen. Der Herstellungsprozess von solchen Solarzellen, die einen Wirkungsgrad von bis zu 24,3 Prozent erzielen, kann für die industrielle Fertigung so nahezu beliebig skaliert werden.

In Tandem-Solarzellen werden die Halbleiter Perowskit und Silizium dazu genutzt, um verschiedene Wellenbereiche des Sonnenlichts bei der Photovoltaik zu nutzen. Die obere Perowskit-Schicht nimmt kurzwelliges Licht auf, die untere Siliziumschicht langwelliges. Durch diese Kombination können Tandemsolarzellen einen höheren Wirkungsgrad erreichen. Die Herstellung ist jedoch nicht ganz einfach. Die Perowskit-Schicht muss bei der Produktion sehr dünn, gleichmäßig und großflächig aufgebracht werden. Zugleich muss das schnell und zuverlässig funktionieren, um den Herstellungsprozess skalieren zu können.

Die Forscher des KIT und der Universität Valencia nutzen ein schnelles Vakuumverfahren auf Basis der Close-Space-Sublimation (CSS), um dies zu erreichen. Zusammengefasst haben sie die Forschungsergebnisse in der Studie „Close-space sublimation as a versatile deposition process for efficient perovskite silicon tandem solar cells“, die in Nature Energy erschienen ist. Dabei werden Ausgangsstoffe verdampft, die auf die Siliziumzelle in nur wenigen Millimetern Entfernung von der Materialquelle treffen. Sie reagieren dort zu einer Perowskit-Schicht. Pro Beschichtung werden nur geringe Mengen des Ausgangsmaterials benötigt, betonen die Wissenschaftler. Das Quellmaterial kann auch weiterverwendet werden.

„Mit der Close-Space-Sublimation konnten wir auch die anspruchsvollen organischen Ausgangsmaterialien ohne Lösungsmittel und in kurzer Zeit auf Silizium aufbringen“, erläutert Sofia Chozas-Barrientos, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen von der Universität Valencia. „Im Experiment war die Umwandlung nach zehn Minuten abgeschlossen – für ein Vakuumverfahren ist das ein wichtiger Fortschritt.“

Damit die Perowskit-Schicht auch die gewünschten Wellenlängen aufnehmen kann, muss die Bandlücke in der oberen Teilzelle größer sein, um die richtigen Lichtanteile absorbieren und transmittieren zu können. Dadurch können die Perowskit- und die Siliziumschicht optimal aufeinander abgestimmt werden. Um das zu erreichen, nutzten die Forscher als organische Ausgangsquelle Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid. Über das Verhältnis dieser beiden Stoffe kann der Bromanteil im fertigen Material gesteuert werden, der das Erreichen der benötigten Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt garantiert. Zuvor waren Versuche mit einer bromhaltigen anorganischen Vorläuferschicht gescheitert, da bei der Umwandlung in Perowskit der notwendige Anteil im Material nicht erreicht werden konnte.

Haftung auf unterschiedlich strukturierten Siliziumschichten

Die Wissenschaftler erprobten das CSS-Verfahren auf Siliziumoberflächen unterschiedlicher Struktur von glatter über nano- bis zu mikrostrukturierter Oberfläche. Denn bei einem industriellen Fertigungsprozess muss die Perowskit-Schicht auf unterschiedlichen Oberflächenstrukturen haften können. Die Forscher stellten fest, dass das auf allen drei Strukturarten gleichmäßig funktionierte, ohne dass Anpassungen nötig waren. Die so gefertigten Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium erzielten Wirkungsgrade von 23,5 Prozent auf glatten Oberflächen, 23,7 Prozent auf nano- und 24,3 Prozent auf mikrostrukturierten Siliziumzellen.

Wichtig für den industriellen Prozess ist die gleichmäßige Haftung auf nano- und mikrostrukturierten Siliziumzellen. Erst dadurch sei ein industrieller Fertigungsprozess in der Praxis möglich.

(olb)