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Versteckte Schwachstelle lässt Solarzellen schneller altern
Perowskit-Solarzellen wandeln Sonnenlicht effizient in Strom um, verlieren unter dauerhafter Beleuchtung aber oft an Leistung. Eine Studie deckt eine bislang unterschätzte Ursache auf. An den Grenzen unterschiedlich ausgerichteter Kristallkörner sammeln sich Ladungsträger ungleichmäßig an und beschleunigen die Alterung. Ein gezielter chemischer Zusatz konnte diesen Prozess im Labor deutlich bremsen.
Hongkong (China). Perowskite gelten als vielversprechende Halbleiter für leistungsfähige und dünne Solarzellen. Ihre lichtabsorbierende Schicht lässt sich vergleichsweise einfach herstellen, allerdings kann länger anhaltende Sonneneinstrahlung das Material schädigen und die Stromausbeute verringern. Das erschwert die Entwicklung langlebiger Solarmodule.
Die lichtaktive Schicht besteht aus vielen winzigen Kristallkörnern, die nicht alle gleich ausgerichtet sind. An ihren Grenzen können Defekte entstehen, an denen Elektronen und positiv geladene sogenannte Löcher wieder zusammenfinden, statt zur Stromerzeugung beizutragen. Die begrenzte Lebensdauer gehört deshalb zu den wichtigsten Hürden beim Einsatz der Technik.
Forscher der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) um Prof. Guang Yang haben nun untersucht, wie sich benachbarte Kristallkörner unterschiedlicher Ausrichtung gegenseitig beeinflussen. Das Team verglich Perowskitfilme mit überwiegend (100)- oder (111)-orientierten Kristallflächen sowie solche, in denen beide Orientierungen nebeneinander vorkommen. Zum Einsatz kamen unter anderem Röntgenverfahren, zeitaufgelöste mikroskopische Lumineszenzmessungen und Modellrechnungen.
Das Ergebnis war überraschend. Für sich genommen erwiesen sich die (111)-orientierten Kristallbereiche als lichtbeständiger als die (100)-orientierten Bereiche. In den gemischten Filmen alterten dagegen gerade die eigentlich widerstandsfähigeren (111)-Körner besonders schnell. Die Stabilität hängt somit nicht nur von einem einzelnen Kristallkorn ab, sondern auch von seinen Nachbarn.
Die Messungen zeigten, dass elektrische Ladungsträger an den beiden Seiten derselben Korngrenze unterschiedlich schnell verloren gehen. An der Grenze zwischen (100)- und (111)-orientierten Körnern bestimmten die Forscher Rekombinationsgeschwindigkeiten von rund 300 beziehungsweise 800 Zentimetern pro Sekunde. Der deutlich höhere Wert auf der (111)-Seite verweist auf besonders verlustreiche Vorgänge an dieser Stelle.
Elektrische Messungen und Berechnungen deuten darauf hin, dass die beiden Kristallflächen unterschiedliche Materialdefekte aufweisen. An den (111)-orientierten Grenzbereichen fehlen unter anderem Formamidinium-Ionen, während auf der anderen Seite andere Fehlstellen dominieren. Dadurch können sich positive Ladungsträger auf der (111)-Seite ansammeln und chemische Veränderungen beschleunigen. So wird ausgerechnet der an sich stabilere Kristallbereich zum Ausgangspunkt für Schäden unter Licht.
Um die ungleichen Ladungsverluste auszugleichen, setzten die Forscher der Perowskitschicht 3-Fluorphenylethylammoniumbromid zu. Die Moleküle reichern sich bevorzugt an den Grenzen zwischen den Kristallkörnern an und können dort bestimmte Fehlstellen besetzen. Nach der Behandlung waren die gemessenen Rekombinationsgeschwindigkeiten auf beiden Seiten der Korngrenze nahezu gleich, während weniger Ladungsträger ungenutzt verloren gingen.
Der Effekt zeigte sich auch an der elektrischen Leistung der Solarzellen. Die beste behandelte Laborzelle erreichte einen Wirkungsgrad von 26,55 Prozent, verglichen mit 25,19 Prozent bei einer entsprechenden Kontrollzelle. Die Verbesserung beruht damit nicht allein auf einer längeren Haltbarkeit, sondern ging im Versuch auch mit einer höheren Stromausbeute einher.
„Indem wir die Ladungsverluste zwischen den Körnern ausgleichen, können wir sowohl die Effizienz als auch die Stabilität der Zellen verbessern“, erklärt Prof. Guang Yang.