Universität A Coruña in Spanien deckt auf: Silber-Kontaktschicht verursacht Degradation von Perowskit-Solarzellen bereits in der Herstellungsphase

de.wedoany.com-Bericht: Eine internationale Studie unter Beteiligung der Gruppe udcsolids des interdisziplinären Zentrums für Chemie und Biologie (CICA) der Universität A Coruña (Universidade da Coruña) in Spanien hat gezeigt, dass es bei Perowskit-Solarzellen während des Herstellungsprozesses zu chemischen Reaktionen und Ionenbewegungen zwischen den inneren Schichten kommt und einige gängige Metallkontaktmaterialien bereits in der frühen Herstellungsphase eine Degradation der Zellen auslösen können.

Die Studie befasst sich mit einem Hindernis für die Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen. Das Forschungsteam reproduzierte die inneren Grenzflächen der Zellen unter hochkontrollierten Bedingungen und analysierte schichtweise die physikalisch-chemischen Veränderungen während des Montageprozesses. Die Ergebnisse zeigen, dass es im Inneren der Bauelemente Ionenbewegungen sowie chemische Reaktionen gibt, die die Perowskit-Struktur verändern können. Perowskit ist das Schlüsselmaterial, das für die Absorption von Licht und die Erzeugung von Strom verantwortlich ist.

Das Forschungsteam konstruierte ein Modellbauelement auf einem Bleiiodid-Perowskit-Einkristall und deponierte nacheinander mittels thermischer Verdampfung die gängigen Funktionsschichten: eine organische Elektronentransportschicht, eine organische Schicht als Barriere und eine Silberschicht als Metallkontakt. Spektroskopische Messungen zeigten, dass diese Schichten beim Kontakt ihre Energieniveaus neu ausrichten, ein Prozess, der den Ladungstransport begünstigt.

In Bezug auf die Stabilität bilden die organischen Schichten chemisch stabile Grenzflächen, jedoch degradiert Silber das Perowskit und erzeugt metallisches Blei. Die Studie bestätigte, dass eine ausreichend dicke organische Barriere diese Degradation abschwächen kann, da sie als Schutzschicht wirkt und einen Teil des Silbers zurückhält. Allerdings lassen die Transportmaterialien weiterhin Blei- und Iodidionen durch, die vom Perowskit zum Metallkontakt wandern und sich dort ansammeln.

Die Verwendung von Einkristallen ermöglichte die Untersuchung der intrinsischen Stabilität des Perowskits, wodurch der Einfluss von Defekten und Korngrenzen in dünnen Schichten minimiert werden konnte. Die Studie betont zugleich, dass die Degradation während des Montageprozesses auftritt, ohne dass eine Umgebungsexposition erforderlich ist, und auch andere ähnliche Perowskite betrifft.

Die Studie unterstreicht die Notwendigkeit, die Absorberschicht zu schützen und Strategien zu entwickeln, die Ionenwanderung blockieren und eine günstige Energieniveau-Ausrichtung aufrechterhalten. Die Forschung bestätigte, dass bestimmte Schutzschichten einen Teil dieser Degradationsprozesse reduzieren können, was nützliche Informationen für das Design stabilerer und langlebigerer Bauelemente liefert.

Alberto García wies darauf hin, dass für die Übertragung dieser Ergebnisse auf die Photovoltaikindustrie bei der Herstellung von p-i-n-Perowskit-Solarpanelen die Optimierung der Schichtdicken priorisiert werden sollte, da nachweislich entscheidend für die Verhinderung der Degradation. Er empfahl Herstellern außerdem, Transportschichten mit geringerer Permeabilität zu entwickeln, um die Ionenmigration zu verringern – ein Degradationsprozess, der bereits während der Montage der oberen Schichten beginnt.

García erklärte, dass sich das Industriedesign in Richtung einer strengeren Grenzflächenkontrolle entwickeln werde, um die günstige Neuausrichtung der Energieniveaus zwischen den Kontaktmaterialien zu maximieren und so die Effizienz und die langfristige Betriebsstabilität zu verbessern. Ihm sei derzeit nicht bekannt, dass sich Industrieunternehmen an die Universität gewandt hätten, um die industrielle Anwendung dieser Ergebnisse zu erörtern.

García fasste zusammen, dass diese Ergebnisse zeigen, dass die Art und Weise, wie ein Bauelement hergestellt wird, direkte Auswirkungen auf seine Leistung und Lebensdauer hat. In Zukunft werde es wichtig sein, die einzelnen Schichten der Bauelemente zu optimieren, die Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien besser zu kontrollieren und stabilere Strukturen zu entwickeln, um Degradationsprozesse zu reduzieren – all dies trage zu effizienteren, langlebigeren und zuverlässigeren Bauelementen bei.

Die Studie wurde von der Universität A Coruña in Zusammenarbeit mit der Universität Uppsala (Uppsala University) in Schweden durchgeführt und unter dem Titel „Energetics and chemistry at electron selective interfaces for p-i-n perovskite solar cells: an in situ investigation“ (Energie und Chemie an elektronenselektiven Grenzflächen für p-i-n-Perowskit-Solarzellen: eine In-situ-Untersuchung) in der wissenschaftlichen Zeitschrift ESS Solar veröffentlicht.