de.wedoany.com-Bericht: Ein iranisches Forschungsteam hat mithilfe eines gekoppelten zweidimensionalen finite-Elemente-photoelektrischen Simulationsrahmens systematisch den Einfluss zufälliger Grenzflächentexturen auf die Leistung von Methylammonium-Bleiiodid (MAPbI₃)-Perowskit-Solarzellen analysiert. Sie fanden heraus, dass eine quasi-sinusförmige Texturmorphologie das optimale photoelektrische Gleichgewicht erreicht und die Leistungsumwandlungseffizienz im Vergleich zu planaren Referenzbauteilen um über 20 % steigert.
Diese Studie untersucht, wie die Einführung nanostrukturierter Texturen in allen Schichten des Bauteils dessen Verhalten beeinflusst. Das Modell erfasst die Wechselwirkungen zwischen optischen Effekten (wie verbesserter Lichteinfang und Absorption) und elektronischen Prozessen (einschließlich Ladungstransport und Rekombination) und zeigt potenzielle Wege für mehrschichtige Texturen zur Optimierung der Gesamtbauteileffizienz auf.
Maryam Zoghi, korrespondierende Autorin von der Universität Tarbiat Modares, sagte gegenüber pv magazine: „Viele Studien verwenden zufällige oder periodische Texturen, aber wir haben systematisch drei verschiedene zufällige Morphologien verglichen und festgestellt, dass die Bauteilleistung nicht einfach durch Rauheit oder Oberflächenvergrößerung bestimmt wird. Der Schlüssel liegt im Kompromiss zwischen der verbesserten vorteilhaften Absorption in der Perowskitschicht und den Transportverlusten, die durch die morphologieabhängige Tortuosität verursacht werden.“ Sie fügte hinzu, dass das Team skalierbare Herstellungswege erforscht, um die in dieser Arbeit identifizierten Morphologien reproduzierbar zu produzieren, und gleichzeitig plant, die Langzeitstabilität dieser texturierten Grenzflächen zu untersuchen.
Die Simulationsstudie umfasste drei repräsentative zufällige Grenzflächenmorphologien: pyramidenförmig, höckerig und quasi-sinusförmig. Die pyramidenförmige Morphologie weist die geringste Rauheit, Grenzflächenflächenverhältnis und Merkmalstiefe auf; die höckerige bietet eine größere Grenzflächenfläche und tiefere Merkmale, aber auch die höchste Transporttortuosität; die quasi-sinusförmige kombiniert die größte Grenzflächenfläche und tiefste Merkmale mit mittlerer Tortuosität und erzielt so die beste photovoltaische Gesamtleistung.
Als Referenz diente eine planare Perowskit-Solarzelle, wobei alle Zellen die gleichen Materialien und Schichtdicken verwendeten. Die simulierte Bauteilstruktur war ITO/TiO₂/MAPbI₃/CuSCN/Au, bestehend aus einer 50 nm dicken Indiumzinnoxid (ITO)-Vorderelektrode, einer 90 nm dicken Titandioxid (TiO₂)-Elektronentransportschicht, einer 200 nm dicken MAPbI₃-Perowskit-Absorberschicht, einer 80 nm dicken CuSCN-Lochtransportschicht und einer 100 nm dicken Gold (Au)-Rückelektrode.
Zoghi bemerkte: „Das überraschendste Ergebnis war, dass die quasi-sinusförmige Textur, die weder die schärfste noch die unregelmäßigste Morphologie ist, durchweg besser abschnitt als die pyramidenförmigen und höckerigen Strukturen. Wir hatten ursprünglich erwartet, dass aggressivere Texturen (wie die höckerige) aufgrund stärkerer Lichtstreuung die höchsten Photoströme erzeugen würden.“ Konkrete Daten zeigen, dass die quasi-sinusförmige Morphologie das günstigste photoelektrische Gleichgewicht bot, mit einer Kurzschlussstromdichte von 25,1 mA cm⁻² und einer Leistungsumwandlungseffizienz von 21,38 % für Bauteile mit einer 200 nm dicken Absorberschicht, was einer Steigerung der Jsc um 15 % im Vergleich zur planaren Referenz entspricht.
„Die höckerige Struktur bot zwar einige optische Vorteile, erlitt jedoch größere elektrische Verluste, möglicherweise aufgrund erhöhter Tortuosität und Serienwiderstände. Im Gegensatz dazu erzielte die glattere quasi-sinusförmige Form ein besseres photoelektrisches Gleichgewicht, mit einer Steigerung der Kurzschlussstromdichte um 15 % und der Leistungsumwandlungseffizienz um über 20 %. Dies deutet darauf hin, dass ‚mehr Textur‘ nicht immer besser ist“, fügte Zoghi hinzu.
Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Random textured interfaces for efficiency enhancement of perovskite solar cells“ in der Zeitschrift Results in Physics veröffentlicht. Wissenschaftler der Universität Tarbiat Modares und der Universität Teheran im Iran waren an dieser Studie beteiligt.
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