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TU Berlin

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Perowskite-Projekt

In Rahmen der Anschubfinanzierung wird am TFD-Lehrstuhl eine Technologie für den Aufbau der Perowskit-basierten Dünnschicht Solarzellen entwickelt. Zum Aufbau gehört das Spin-coaten unter kontrollierter Glovebox-Atmosphäre mit feuchten im ppm-Bereich. Dazu gehört auch die chemische Ausrüstung für Nasschemie.

Solche Solarzellen haben in den letzten Jahren einen Effizienz-Fortschritt von 3,8 bis >20% erzeugt. Dazu verspricht diese Technologie deutlich billiger als schon existierende Dünnschichtverfahren zu sein. Die Absorber-Schichten mit einer sehr guten Qualität lassen sich nass-chemisch herstellen. Die Perowskit-Struktur ist unter den Oxyden mit der ABO3-Formel sehr häufig auf.

Eine neue Klasse von Lichtabsorbern mit Perowskitstruktur (Perowskite) hat eine generelle Formel: RNH3PbHal3, wo R - ein organisches Radikal ist und Hal - ist das Halogen.

Anstatt Pb, kann es auch z.B. Sn(II) sein. Deswegen nennt man diese Materialien hybrid (metallorganischer) Perowskite.

Das Material besitzt folgende Eigenschaften:

1. Sehr hohe Lichtabsorption. Es reichen bereits Schichten mit einer gegenüber dem Stand der Technik viel dünneren Schichtdicke von ca. 300 nm Absorberdicke aus. Im Vergleich zu den üblichen Absorbern (mc/pc/c-Si, CIGS) wird somit ca. 10 bis 1000mal weniger Material benötigt.

2. Wide Band-Gap Material (Eg>1,5 eV) und hohe Leerlaufspannungen. Perowskite passen ideal zu Tandem-Konzepten in Kombination mit etablierten Absorbern. (mc/pc/c-Si, CIGS).

3. Ambipolares Material. Perowskite brauchen keine Dotierung und dementsprechend keine zusätzlichen technologischen Schritte, darüber hinaus können die Perowskite elektrisch in beiden Pol-Richtungen funktionieren, was neue Anwendungskonzepte im Bereich opto-elektronischer Bauteile ermöglicht.

4. Perowskite sind Halbleiter mit derzeit einzigartigen Eigenschaften.

  • Die Diffusionslänge der Ladungsträger von beiden Typen übersteigt 1000 nm, das ist mehr als die Absorbtionstiefe
  • Durch Anpassung der Zusammensetzung lässt sich die Bandlücke im Bereich von Eg=1,53...2,4 eV einstellen

Aufgrund dessen kann der Perowskit-Absorber für Halbtransparente Zellen eingesetzt werden. Solche Zellen können entweder anstatt Low-E (Ag) Schichten für Baugläser oder in Kombination mit anderen Dünnschicht bzw. c-Si Zellen im Tandem-Konzept angewendet werden. Perowskite-basierte Solarzellen können gut auf den flexiblen leichten Substraten hergestellt werden, hier können neue Märkte eröffnet werden. (z.B. Automobilindustrie).

Ziele der Forschung und Entwicklung:

1. Erhöhung der Stabilität von Perowskit-basierten Solarzellen. a) Untersuchung der Zerlegungsmechanismen, b) chemische Modifizierung der Perowskite, c) chemische Modifizierung der organischen p-Leiter, d) Sicherstellung langfristiger Stabilitätstests unter Arbeitsbedingungen

2. Entwicklung der Technologien für semitransparente Zellen (A) und Optimierung des Lichtmanagements (B). Diese Orientierung trägt dazu bei neue Zellkonzepte zu erschließen. Im Wesentlichen läuft die Aufgabe (A) auf die Entwicklung der sanften Abscheidung von TCos (Transparent Conduktive Oxides) hinaus. Sanfte Abscheidung bedeutet eine niedere Temperatur (<120°C) Abscheidung, die dazu schonend zu den organischen Stoffen sein soll und die hochleitenden TCOs sichert. Aufgabe (B) konzentriert sich meist an modelbasierter Optimierung der baugerüstartigen Mikrostruktur. Als Ergebnis wird eine effektive Lichtstreuung gewährleistet, damit die Absorberschicht noch möglichst ausgedünnt werden kann. Dazu wird eine ausgeglichene Ableitung der Ladungsträger beider Art gesichert.

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