de.wedoany.com-Bericht: Die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung (TNO) und das deutsche Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) führten einen einjährigen Outdoor-Test durch, um die Außenleistung von Perowskit-Solartechnologie zu messen. Die Studie zeigt, dass mehrere Faktoren zu einem signifikanten Abbau von Perowskit führen.
Die Forscher verwendeten für den Test eine Dreifach-Perowskit/Perowskit/Silizium-Solarzelle mit einer Fläche von 1 cm × 1 cm. Die Korrespondenzautorin Petra Manshanden erklärte gegenüber pv magazine, dass die Wahl auf eine Dreifachzelle fiel, da diese eine höhere theoretische Effizienzgrenze aufweist und für solche Bauelemente bisher keine Daten von langer Außenexposition vorlagen. Das getestete Bauelement ist eine monolithische Dreifach-Tandemsolarzelle, bestehend aus einer p-Typ-Heteroübergang-Silizium-Bodenbatterie und zwei gestapelten Perowskit-Subzellen. Die Siliziumbasis ist auf der Rückseite texturiert und verfügt über einen geschlossenen rückseitigen Metallkontakt, der als Nahinfrarot-Absorber dient. Auf Indiumzinnoxid (ITO) wurde eine mittlere Perowskit-Zelle mit 1,56 Elektronenvolt abgeschieden, die Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amin] und Poly(9,9-bis(3′-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluoren)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluoren) als Lochtransportschicht sowie Fulleren (C60) und Zinnoxid (SnOx) als Elektronentransportstapel verwendet. Eine zweite ITO-Zwischenschicht trennt die mittlere Zelle von der oberen Zelle, die eine selbstorganisierende Monoschicht namens 2PACz und einen Breitbandlücken-Perowskit-Absorber verwendet. Die obere Zelle extrahiert ebenfalls Elektronen über C60 und SnOx und wird durch eine ITO-Schicht und einen aufgedampften Silberkontakt (Ag) abgeschlossen. Die Bauelementoberfläche ist zudem mit einer Magnesiumfluorid (MgF₂)-Antireflexionsschicht bedeckt.
Die Outdoor-Teststation befindet sich in Petten, Niederlande. Die Testmodule wurden auf dem Dach installiert, nach Süden ausgerichtet, in einem festen Winkel von 30° geneigt, bei einer lokalen Albedo von 10 %, um die jährliche Energieausbeute zu optimieren. Die ersten monatlichen Außenmessungen der Teststation zeigten eine weitgehend vergleichbare Leistung am Vormittag und Nachmittag, mit nur frühen transienten Unterschieden, die nach der anfänglichen Stabilisierungsphase verschwanden. Die Langzeitüberwachung offenbarte hingegen ein zweistufiges Degradationsverhalten: Der Wirkungsgrad fiel von anfänglich etwa 17 bis 18 % auf etwa 15 % im März, sank im April auf etwa 13 bis 14 % und nahm danach kontinuierlich ab. Die erste Degradationsphase wurde hauptsächlich auf Spannungsverluste zurückgeführt, die zweite Phase hing mit Delamination der Verkapselungsschicht zusammen, was zu einer Verringerung der Stromsammlung und der optischen Kopplung führte.
Mikroskopische Analysen bestätigten, dass die Delamination innerhalb des Verkapselungsstapels und nicht an den aktiven Übergängen auftrat, was darauf hindeutet, dass das Problem in mechanischem oder Adhäsionsversagen zwischen den Schichten liegt, nicht in Feuchtigkeitseintritt. EQE- und J-V-Analysen zeigten weiterhin, dass die Leistungsverluste nicht auf Bandlückenänderungen oder inhärenten Abbau des Absorbers zurückzuführen sind, sondern auf Verluste im Zusammenhang mit Grenzflächen und Nebenschlusspfaden. Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzbilder nach langer Exposition zeigten eine starke räumliche Inhomogenität, wobei die mittlere Perowskitschicht den Stromfluss dominierte und der obere Übergang signifikant geschwächt war, was bestätigt, dass teilweiser Nebenschluss und inhomogener Abbau kritische Ausfallmodi des Zellenstapels sind.
Zuverlässigkeitstests im Innenbereich bestätigten eine gute Stabilität der Bauelemente gegenüber Feuchtwärme unter Randversiegelungsbedingungen, jedoch signifikante Verluste unter Temperaturwechsel und UV-Bestrahlung, wobei letztere zu etwa 65 % Abbau führte. Insgesamt erreichte das Bauelement trotz Abbau- und Hystereseeffekten einen durchschnittlichen jährlichen Wirkungsgrad von etwa 10 %, wobei die Leistung stark von Einstrahlungs- und Spektraländerungen abhing. Manshanden erklärte, dass die Probe nach fünf Monaten Außenbetrieb 80 % der anfänglichen Leistungsumwandlungseffizienz erreichte und nach sieben Monaten 50 %. Die frühe Degradationsanalyse deutete darauf hin, dass der obere Übergang die instabilste Komponente im Bauelementstapel ist. Gleichzeitig zeigte der anfänglich strombegrenzende mittlere Übergang im Betrieb einen lokalen Nebenschluss an den Rändern. Weitere Verluste wurden auf die Degradation der Ladungstransportschichten zurückgeführt, die möglicherweise durch anhaltenden Hochtemperaturbetrieb verursacht wurde.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „RRL Solar“ unter dem Titel „One Year of Outdoor Performance of Perovskite/Perovskite/Silicon Triple-Junction Solar Cell“ veröffentlicht. Manshanden fasste zusammen, dass diese Erkenntnisse zum Verständnis der Degradationsmechanismen beitragen und die Entwicklung stabilerer Bauelemente der nächsten Generation vorantreiben; entsprechende Tests sind im Gange.
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