Charakterisierung und Manipulation der Eigenschaften von Perowskitabsorbern und ihren Grenzflächen zu selektiven Ladungsträgertransportschichten in Solarzellen für höhere Wirkungsgrade durch in situ Dotierung mit Fremdstoffen beim Koverdampfen

Stipendiatin/Stipendiat: Verena Barnscheidt

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. Dazu hat die Bundesregierung einen Klimaschutzplan für 2050 erstellt, der u.a. das Ziel angibt eine weitgehende Treibhausgasneutralität bis 2050 zu erreichen. Solarstrom spielt dabei eine immer wichtigere Rolle. Einige Prognosen schätzen, dass Photovoltaik bis 2050 einen Anteil von 30 – 50 % auf dem Markt ausmacht.

Entscheidend für das Erreichen dieser 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. Das ist auch vorteilhaft im Sinne der Ressourcenschonung. In den letzten Jahren haben Perowskit-Solarzellen eine unvergleichliche Entwicklung erfahren. Seit 2009 ist die Effizienz von 3,8% auf über 25% gestiegen.

Perowskit-Solarzellen verwenden hybrid organisch-anorganische Metall-Halogene mit der Zusammensetzung ABX3 als Absorbermaterial. Diese Materialien zeichnen sich durch einen großen Absorptionskoeffizienten und eine hohe Defekttoleranz aus. Die höchsten Wirkungsgrade werden aktuell erzielt mit Materialkombinationen, die Blei an der B-Position, eine Mischung aus Iod und Brom an der X-Position und Anteile von Formamidinium, Methylammonium und Cäsium an der A-Position enthalten.

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.

Um die im Perowskit-Absorber erzeugten Ladungsträger zu trennen, werden spezielle Transportschichten verwendet. Diese kontaktieren jeweils selektiv das Leitungsband (Elektronen-Transportschicht (ETL)) bzw. das Valenzband (Löcher-Transportschicht (HTL)). Damit die Ladungen gut abgeführt werden können und Widerstände minimiert werden, ist es wichtig, dass die Bandstrukturen gut angepasst sind. Dies kann über Dotierung des Perowskits erfolgen. Damit verschiebt sich die Lage des Fermi-Niveaus innerhalb der Bandlücke, wodurch sich die Biegung der Bandkanten an den Grenzflächen optimieren lässt.

Dotierung von MAPbI3 kann einerseits über eine Selbstdotierung erfolgen. Dabei werden die Anteile der Ausgangsstoffe variiert, sodass Pb2+ - bzw. I- Vakanzen auftreten, die für eine p- bzw. n-Dotierung sorgen. Zum anderen lassen sich Perowskite über Fremdatome bzw. -moleküle dotieren. Diese Variante ist Kern des Promotionsvorhabens.

Das Ziel des Promotionsvorhabens ist das Dotieren von Perowskiten mit Fremdatomen oder -molekülen mittels Koverdampfung. Dies geschieht mit dem Ziel die Bandanordnung zwischen Perowskit und Transportschicht anzupassen. Dazu soll zunächst eine kontrollierte Koverdampfung von Perowskitschichten erreicht werden. Anschließend wird das Aufdampfverhalten der verschieden organischen und anorganischen Dotierstoffe und die Auswirkung der Dotierung auf die Eigenschaften der Perowskitschichten untersucht. Außerdem wird die Stabilität der Schichten genauer betrachtet und der Einfluss auf die Grenzflächeneigenschaften. Schließlich sollen Erkenntnisse auf Multikationen/Multianionen -Perowskite übertragen werden.

Förderzeitraum:
01.07.2019 - 31.10.2024

Institut:
Leibniz Universität Hannover Institut für Materialien und Bauelemente der Elektronik MBE

Betreuer:
Prof. Dr. Tobias Wietler

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://isfh.de/