Einführung in Perowskit-Solarzellen
Der Aufbau von Perowskit-Solarzellen ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Ihr Kern besteht aus einem lichtabsorbierenden Material aus Organometallhalogeniden mit einer Perowskit-Kristallstruktur (ABX₃) (Elementarzellenstruktur in der beigefügten Abbildung dargestellt). In dieser Perowskit-ABX₃-StrukturAist die Methylammoniumgruppe (CH₃NH₃⁺),Bist ein Metall-Bleiatom undXist ein Halogenatom wie Chlor, Brom oder Jod. Das derzeit am häufigsten verwendete Perowskit-Material in hocheffizienten Perowskit-Solarzellen istMethylammoniumbleiiodid (CH₃NH₃PbI₃)Es hat eine Bandlücke von ca.1,5 eVund einen hohen Extinktionskoeffizienten; ein nur wenige hundert Nanometer dicker Film kann Sonnenlicht bis zu 800 nm ausreichend absorbieren. Darüber hinaus ist dieses Material einfach herzustellen – ein gleichmäßiger Film kann durch Spin-Coating einer Lösung aus PbI₂ und CH₃NH₃I bei Raumtemperatur erhalten werden. Diese Eigenschaften ermöglichen es der Perowskit-artigen Struktur CH₃NH₃PbI₃, nicht nur sichtbares Licht und einen Teil des nahen Infrarotspektrums zu absorbieren, sondern auch photogenerierte Ladungsträger zu erzeugen, die weniger zur Rekombination neigen und nur minimalen Energieverlust verursachen. Dies ist der grundlegende Grund, warum Perowskit-Solarzellen einen hohen Wirkungsgrad erreichen können.
Abbildung: Kristallstruktur des Perowskit-Materials (am Beispiel von CH₃NH₃PbI₃) und schematische Darstellung einer Perowskit-Solarzellenstruktur.
Aufgrund der relativ komplexen Kristallstruktur, die strenge Anforderungen an die Radien der Atome (oder Gruppen) an den A-, B- und X-Positionen stellt, ist die Zusammensetzung der lichtabsorbierenden Perowskit-Materialien relativ festgelegt. Kürzlich haben einige Forschungsgruppen die Methylammoniumgruppe an der A-Position durchFormamidinium (FA⁺), wodurch die Bandlücke auf1,48 eVund einen höheren Photostrom zu erreichen. Für dieB-StelleDer Ersatz von Blei (Pb) durch Zinn (Sn) hat bisher zu keiner photoelektrischen Reaktion geführt. Für dieX-Site, Atome wie Chlor, Brom oder Jod können verwendet werden, aber nur Jod-basierte Perowskite haben eine geeignete Bandlücke für eine hohe Umwandlungseffizienz. Neben CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓwird ebenfalls umfassend untersucht. Unter Beibehaltung der grundlegenden Energieniveaustruktur kann eine geringe Menge Chlordotierung die Elektronenbeweglichkeit verbessern und so eine bessere photoelektrische Leistung erzielen. Im Vergleich zu siliziumbasierten Materialien haben häufig verwendete lichtabsorbierende Perowskitmaterialien jedoch Nachteile wieunzureichend breiter Lichtempfindlichkeitsbereich, Empfindlichkeit gegenüber Wasser und einigen Lösungsmitteln und enthält das Schwermetall Blei. Daher ist die Suche nach Perowskit-Materialien mitschmalere Bandlücken, bessere chemische Stabilität und Umweltfreundlichkeitist sehr aussagekräftig.
Die Entwicklung der Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen begann mitFarbstoffsolarzellen (DSSCs). Perowskit-Solarzellen haben sich dank der in den letzten zwei Jahrzehnten in DSSCs, organischen Solarzellen und anderen Bereichen gesammelten Technologien rasant weiterentwickelt. Die ersten Perowskit-Solarzellen verwendetenCH₃NH₃PbI₃ zur Sensibilisierung von TiO₂-Photoanoden und einem flüssigen I₃⁻/I⁻-Elektrolytenund erreicht einen Wirkungsgrad von nur3,8 %(optimiert auf 6,5%). Aufgrund der Instabilität von CH₃NH₃PbI₃ im flüssigen I₃⁻/I⁻-Elektrolyten war die Zellstabilität jedoch gering, und die Forschung auf diesem Gebiet ist derzeit begrenzt. Der Ersatz des flüssigen I₃⁻/I⁻-Elektrolyten durch einenFestkörper-Lochtransportmaterial (HTM)(z. B. Spiro-OMeTAD, P3HT) verbesserten die Zelleffizienz erheblich und erreichten16 %, übertrifft den höchsten Wirkungsgrad farbstoffsensibilisierter Solarzellen (13 %) und weist eine gute Stabilität auf.
Darauf aufbauendH. Snaith et al.ersetzte die poröse Gerüstschicht n-Typ-Halbleiter TiO₂ mit einem isolierenden Material wieAl₂O₃ oder ZrO₂und montierte Dünnschichtzellen mit Lochtransportmaterialien, die ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad erreichten (der höchste gemeldete Wirkungsgrad lag bei 15,9 %). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das Perowskit-Material CH₃NH₃PbI₃ selbst eine gute Elektronenleitfähigkeit besitzt. Perowskit-Solarzellen auf Basis von Gerüstschichten aus Isoliermaterialien haben das traditionelle Sensibilisierungskonzept prinzipiell hinter sich gelassen und sind zu einermesoskopische superstrukturierte Heteroübergangssolarzelle. Durch das Entfernen der isolierenden Gerüstschicht und die Verwendung eines gleichmäßigen, hochwertigen Perowskitfilms konnte außerdem eineplanare Heteroübergangszellekann ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad erreichen (der höchste gemeldete Wirkungsgrad liegt bei 15,7 %). Andererseits erreichte eine Heteroübergangszelle aus Perowskit und porösem TiO₂ selbst ohne Lochtransportmaterialien einen Wirkungsgrad von 10,5 %. In dieser Struktur, ähnlich wie bei kolloidalen Quantenpunkt-Solarzellen, erfüllt der Perowskit eine Doppelfunktion: Lichtabsorption und Lochtransport. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Perowskit als lichtabsorbierende Schicht in einerStruktur organischer Solarzellen, mit Fullerenderivat PCBM als Elektronentransportschicht und PEDOT:PSS als Lochtransportschicht, Wirkungsgrade über12 %wurden erreicht und übertrafen die besten Ergebnisse herkömmlicher organischer/polymerer Solarzellen. Erwähnenswert ist, dass Perowskit-Solarzellen auf Basis organischer Solarzellenstrukturen hergestellt werden könnenflexibel und Rolle-zu-Rolle produziert für die Großserienproduktion. Derzeit erreichen solche flexiblen Perowskitzellen einen hohen Wirkungsgrad von9,2 %.
Abbildung: Aufbau einer Perowskit-Solarzelle.
Die Tatsache, dass Perowskit-Materialien Wirkungsgrade erreichen können, die über10 %in diesen sehr unterschiedlichen Solarzellenstrukturen lässt darauf schließen, dass in zukünftigen praktischen Anwendungenmehrere Strukturen können nebeneinander bestehen und miteinander konkurrierenGleichzeitig sind eingehende Forschung und das Verständnis der grundlegenden Materialeigenschaften und der Funktionsweise der Zellen von entscheidender Bedeutung. Dies wird nicht nur dazu beitragen, die Leistung von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern, sondern auch Erkenntnisse für die Entwicklung einfacherer oder effizienterer neuer Strukturen liefern.
