Eine Beschichtung von Solarzellen mit speziellen organischen Molekülen könnte einer neuen Generation von Solarmodulen den Weg ebnen. Wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, kann die Oberflächenpassivierung den Wirkungsgrad monolithischer Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit erhöhen.

Tandem-Solarzellen bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleitern, die Licht verschiedener Wellenlängenbereiche absorbieren. In Frage kommen vor allem Kombinationen aus Silizium, das vor allem rotes und nahinfrarotes Licht aufnimmt, und Perowskit (Calcium-Titan-Oxid), das sichtbares Licht sehr effektiv nutzen kann. Monolithische Tandemzellen entstehen, indem man einen Träger nacheinander mit den zwei Halbleitertypen beschichtet. Im Fall der Kombination von Perowskit und Silizium gelingt dies auf Basis von Silizium-Wafern, die man im Zonenschmelz-Verfahren herstellt und die eine polierte oder nanostrukturierte Oberfläche haben. Diese sind jedoch sehr teuer. Deutlich kostengünstiger sind nach dem Czochralski-Verfahren, einem Tiegelzieh-Verfahren, hergestellte Siliziumwafer mit pyramidalen Strukturelementen im Mikrometermaßstab. Diese Mikrotexturen sorgen für einen besseren Lichteinfang, weil sie weniger reflektieren als eine glatte Oberfläche. Bei der Beschichtung mit Perowskit entstehenden jedoch Kristallgitter mit sehr vielen Defekten, die die elektronischen Eigenschaften verschlechtern. Zum einen beeinträchtigen die Defekte die Weitergabe der freigesetzten Elektronen, zum anderen verlaufen Elektron-Loch-Rekombinationen vermehrt über strahlungslose Vorgänge. Wirkungsgrad und Stabilität der Perowskit-Schicht nehmen ab.

Thiophenethylammonium-Verbindung ermöglicht Oberflächenpassivierung in Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

Das chinesische Team von der Universität Nanchang, Suzhou Maxwell Technologies, dem CNPC Tubular Goods Research Institute (Shaanxi), der Polytechnischen Universität Hong Kong, der Technischen Universität Wuhan sowie der Fudan-Universität (Shanghai) um Kai Yao hat jetzt eine Strategie zur Oberflächenpassivierung entwickelt, mit der sich die Oberflächendefekte der Perowskit-Schicht ausgleichen lassen. Sie tragen durch eine dynamische Sprühbeschichtung eine Thiophenethylammonium-Verbindung mit einer Trifluormethylgruppe (CF3-TEA) auf. Dabei erreichen sie eine sehr einheitliche Abdeckung auch auf mikrostrukturierten Oberflächen.

Dank der hohen Polarität und Bindungsenergie schwächt die CF3-TEA-Beschichtung die Wirkung der Oberflächendefekte sehr effektiv ab. Das unterdrückt strahlungslose Rekombinationen und korrigiert die elektronischen Niveaus, so dass die Elektronen an der Grenzfläche effektiver an die elektroneneinfangende Schicht der Solarzelle abgegeben werden. So sorgt die Oberflächenmodifikation mit CF3-TEA dafür, dass Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen auf Basis gängiger texturierter Wafern aus Czochralski-Silizium sehr hohe Wirkungsgrade von fast 31 % erreichen und lange Zeit stabil arbeiten. Laborsolarzellen in der Kombination Perowskit und Silizium haben schon Wirkungsgrade von mehr als 33 % erreicht.

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