Perowskit-Solarzellen galten lange als Hoffnungsträger. Doch beim Hochskalieren gingen meist wertvolle Prozente verloren. Forscher ist es nun gelungen, den Effizienzverlust mithilfe winziger Kristallkeime zu reduzieren.
Forscher am Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlichten kürzlich einen neuen Ansatz für Perowskit-Solarzellen. Mit dem sogenannten CSV-Pre-Seeding behoben sie mikroskopische Defekte an den verborgenen Grenzflächen der Zellen. Der Effizienzverlust bei der Skalierung auf industrielle Maße lag damit bei unter drei Prozent und unterschreitet viele bisherige Berichte.
Invertierte Perowskit-Solarzellen ordnen die Schichten so an, dass die Lochtransportschicht unter dem lichtabsorbierenden Material liegt. Um die Haftung zu verbessern, modifizierten die Wissenschaftler das Substrat mit selbstorganisierten Monolagen (SAM). Diese Schichten wirken oft wasserabweisend, was eine gleichmäßige Benetzung mit der flüssigen Perowskit-Lösung normalerweise erheblich erschwert.
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Perowskit-Solarzellen: Stabförmige Kristalle als Wegweiser
Die Forscher nutzten für den Prozess speziell entwickelte, stabförmige Nanokristalle mit der chemischen Formel PDPbI_4-DMSO. Diese stabförmige Struktur verbessert die Ausbreitung der Lösung auf der SAM-Oberfläche und steuert das Wachstum der Perowskit-Schicht. Sie wirken wie Wegweiser auf einer Baustelle, an der die Kristalle schneller und geordneter wachsen.
Beim Erhitzen setzt das Material die eingebetteten Dimethylsulfoxid-Moleküle (DMSO) kontrolliert frei. Dieser Vorgang des gittergebundenen Lösungsmittelglühens erzeugt eine lokale Gaszone direkt an der Grenzfläche. Sie wirkt wie eine schützende Dunstglocke, unter der sich die Kristallkörner stabil anordnen und Fehlstellen im Material schließen.
Die Forscher kombinierten das CSV-Pre-Seeding mit einer industriellen Schlitzdüsenbeschichtung, um ein Mini-Modul mit einer Fläche von 49,91 Quadratzentimetern zu fertigen. Das Gerät erreichte eine Energieumwandlungseffizienz von 23,15 Prozent. Im Vergleich zu kleinen Laborzellen fiel der Wirkungsgrad damit um weniger als drei Prozent ab, was viele frühere Forschungsberichte übertrifft.
Neues Prinzip für Halbleiter-Technik
Das Verfahren schließt Hohlräume an der Grenzfläche und sorgt für glattere Übergänge zwischen den einzelnen Kristallkörnern. Dadurch entsteht eine dichte Schicht, die wesentlich widerstandsfähiger gegen Belastungen durch Licht oder Hitze ist. Diese Technik überwindet den langjährigen Engpass bei der Massenproduktion leistungsstarker Perowskit-Module.
Über die Photovoltaik hinaus etabliert das Konzept einen vielseitigen Denkansatz für andere Halbleiter. Durch die gezielte Anpassung organischer Kationen, der chemischen Bausteine, die die Eigenschaften des Materials bestimmen, lässt sich eine breite Bibliothek an CSV-Materialien entwerfen. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung von Grenzflächen in verschiedenen optoelektronischen Bauteilen.
Das neue Prinzip öffnet Türen für die Entwicklung effizienterer Leuchtdioden (LEDs) oder Sensoren auf Basis von Halbleitern mit weichem Gitter. Die Strategie erlaubt die Kontrolle über tief liegende Materialschichten, die bisher nur schwer zugänglich waren. Damit bereitet die Entdeckung den Boden für eine industrielle Fertigung von Hightech-Bauteilen, die einem ähnlichen Prinzip wie schnelle Druckverfahren folgt.
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