Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen sind ein vielversprechender Ansatz um den Ausbau der Photovoltaik (PV) im Multi-Terawatt-Maßstab nachhaltig bewältigen zu können. Das hohe Effizienzpotenzial von Tandemsolarzellen bis zu 45% im Vergleich von 29,4% für einfache Siliziumsolarzellen ermöglicht es, den Ressourcen- und Energieverbrauch für die Herstellung von PV-Systemen deutlich zu reduzieren. Dies ist angesichts des zur Bekämpfung der Erderwärmung nötigen massiven Ausbaus der Photovoltaik von entscheidender Bedeutung. Der geringere Materialeinsatz von Dünnschicht-Perowskitsolarzellen verringert den Ressourcen- und Energieverbrauch weiter.
Eine große Herausforderung von Perowskit-Tandemsolarzellen ist jedoch noch die Langzeitstabilität. Unter anderem durch die Migration von Metallionen aus der Rückelektrode in den Perowskitabsorber degradiert die Solarzelle. Zudem ist der Einsatz von seltenen und teuren Materialien wie Gold weder nachhaltig noch skalierbar. Als Alternative wurden in den letzten Jahren Kohlenstoffelektroden erforscht. Ihre Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Metallelektroden sind: größere Langzeitstabilität, potenziell ressourcenschonender, wenn biogene Quellen für den Kohlenstoff genutzt werden und einfachere Prozesse mit geringerem Energieverbrauch und damit kostengünstigere Prozessierung.
In diesem Promotionsvorhaben sollen deshalb in einem ersten Innovationsschritt die Prozesse zur Herstellung von Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen mit Kohlenstoffelektrode entwickelt werden. Hierzu werden bekannte Konzepte von Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen mit Metallelektrode und Perowskit-Solarzellen mit Kohlenstoffelektrode kombiniert. Um Zellen mit Metall- und Kohlenstoffelektroden im Hinblick auf deren Langzeitstabilität vergleichen zu können, werden Alterungsstudien durchgeführt.
Eine zentrale Herausforderung bei der Verwendung von Kohlenstoffelektroden ist der reduzierte Wirkungsgrad der Zellen, aufgrund von erhöhter nicht strahlender Ladungsträgerrekombination und parasitärer Lichtabsorption durch die Kohlenstoffelektrode. Wegen fehlender Rückreflexion an der Graphitelektrode durchläuft das Licht den Absorber nur einmal und dadurch wird vor allem das langwellige Licht nicht komplett im Perowskit absorbiert. Dies führt bei Tandemsolarzellen zu Verlusten in der unteren Subzelle (Unterzelle). Deshalb sollen im zweiten Innovationsschritt optische Strukturen entwickelt werden, welche die Absorption in der Unterzelle erhöhen und gleichzeitig Oberflächenrekombination reduzieren. Mögliche Ansätze sind reflektierende, aber leitfähige Zwischenschichten, Gitterstrukturen oder selektiv streuende Schichten. Hierzu werden Konzepte aus der Literatur weiterentwickelt, komplexe Schichtsysteme und Strukturen simuliert und optimiert und dann die vielversprechendsten durch Schichtabscheidung, Imprint-Prozesse oder Selbstorganisation realisiert. Zudem wird direkt die Vermeidung von Rekombination, zum Beispiel in Form von (strukturierten) 2D-Passivierungsschichten mitberücksichtigt. Die optischen Anpassungen werden zunächst an Teilzellen getestet und dann in die komplette Tandemsolarzelle überführt
Das zusammengefasste Ziel des Promotionsvorhabens ist, eine Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzelle mit Kohlenstoffelektrode und verbesserter Optik zu entwickeln. Wichtige Forschungsfragen sind: Welche Solarzellen-Architektur und welcher Schichtstapel eignen sich für solche Tandemsolarzellen? Mit welchen optischen Strukturen lässt sich die Absorption in der Unterzelle erhöhen? Welche Passivierungsmaßnahmen sind an der Grenzfläche zur Graphitelektrode erforderlich?