In situ Dotierung koaufgedampfter Perowskitschichten und ihre Anwendung für Solarzellen
Die heutige Umweltverschmutzung durch CO2 und andere Stoffe hat verheerende Folgen für Mensch und Natur. Ein wichtiger Schritt, um dem entgegen zu wirken, ist die fossilen durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Solarstrom spielt dabei eine wichtige Rolle.
Entscheidend für das Erreichen der Ausbauziele für die Photovoltaik sind Solarzellen mit geringen Produktionskosten und einem hohen Wirkungsgrad. Perowskit-Solarzellen können beides bieten. Sie können mit sehr kostengünstigen Verfahren produziert werden, z.B. über Druckverfahren. Auch die Materialkosten sind gering, unter anderem, weil durch die Schichtdicke von einigen hundert Nanometern nur sehr wenig Material benötigt wird. Auch im Sinne der Ressourcenschonung ist der geringe Materialverbrauch vorteilhaft. In den letzten Jahren haben Perowskit-Solarzellen eine unvergleichliche Entwicklung erfahren. Seit 2009 ist die Effizienz von 3,8% auf über 25% gestiegen.
Noch höhere Effizienzen können erreicht werden, indem Tandem-Solarzellen genutzt werden. Dabei werden zwei Materialien kombiniert, die jeweils verschiedene Anteile des Spektrums des Sonnenlichts nutzen. Perowskit-Solarzellen lassen sich besonders gut mit Silizium kombinieren, weil sich die Perowskit-Bandlücke über die Zusammensetzung optimal anpassen lässt und die Herstellung kompatibel ist. Silizium ist attraktiv, weil es als kostengünstige Technologie etabliert ist.
Perowskit-Solarzellen verwenden hybrid organisch-anorganische Metall-Halogene mit der Zusammensetzung ABX3 als Absorbermaterial. In diesem Promotionsvorhaben wird Formamidinium-Caesium-Blei-Iodid-Bromid (FA1‑xCsxPb(I1-yBry)3) verwendet. Dabei befindet sich auf der A-Position FA+ oder Cs+, die B-Position ist mit Blei besetzt und auf der X-Position befindet sich Iod oder Brom.
Perowskitschichten haben eine hohe Dichte an Defekten unterschiedlicher Art, die sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und die Stabilität auswirken. Defekte, die tiefe Störstellen erzeugen, tragen zur nichtstrahlenden Rekombination bei, welche die Quasi‐Fermi‐Niveau‐Aufspaltung und damit die offene Klemmenspannung der Solarzelle reduziert. Das wiederum wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad aus. Es gibt viele Punktdefekte, die flache Störstellen bilden. Diese tragen zwar kaum zur nichtstrahlenden Rekombination bei, können aber die problematische Ionenmigration begünstigen. Zum einen kann die Ionenmigration im elektrischen Feld zu einer Akkumulation an den Grenzflächen zu den selektiven Kontaktschichten und damit zu ungewollten Bandverbiegungen führen, was die Ladungsträger-Extraktion beeinflusst. Des Weiteren führt Ionenmigration zu einer Hysterese in Strom-Spannungs-Kurven. Darüber hinaus können Ionen an den Grenzflächen zu unerwünschten Reaktionen mit den Kontaktmaterialien führen, welche die Zellperformance beeinträchtigen. Außerdem ist die Ionenmigration auch in die photoinduzierte Phasensegregeation involviert, bei der sich unter Beleuchtung in Perowskitmaterialien, die eine Mischung aus Iod und Brom enthalten, iodreiche und bromreiche Phasen mit unterschiedlichen Bandlücken bilden.
Ein Lösungsansatz für diese Probleme ist die Passivierung von Defekten. Ziel meiner Arbeit ist die Passivierung des Perowskitabsorbers mittels aufgedampfter Additive. Dafür gibt es einige aussichtsreiche Materialien, die ich im weiteren Verlauf meiner Promotion untersuchen werde.