Thermische Stabilität von Metall-Halogenid-Perowskit-Solarzellen

Der Umstieg von fossilen auf regenerative Energieträger stellt eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts dar. Eine zentrale Rolle kommt hierbei der Photovoltaik zuteil. Auf der Suche nach kostengünstigeren Alternativen zur Siliziumphotovoltaik sind in den vergangenen Jahren Metall-Halogenid-Perowskite ins Rampenlicht getreten. In Perowskit-Solarzellen konnten inzwischen mit einfachen Laborprozessen Wirkungsgrade von bis zu 25,2 %, die den maximalen Wirkungsgraden von Silizium sehr nahe kommen, erzielt werden.

Neben den vielen Vorteilen der Metall-Halogenid-Perowskite, wie deren einfache Prozessierbarkeit aus der flüssigen Phase, der ausgezeichneten optoelektronischen Eigenschaften und der durchstimmbaren Bandlücken, die insbesondere für Stapelsolarzellen vorteilhaft sind, gibt es derzeit noch einige Herausforderungen, bevor ein Transfer dieser Technologie vom Labor in die Industrie möglich ist. Eine dieser zentralen Herausforderungen stellt die Langzeitstabilität unter Betriebsbedingungen dar. Aus diesem Grund befasst sich diese Arbeit mit der thermischen Stabilität von Metall-Halogenid-Perowskit-Solarzellen. Hierfür werden unterschiedliche thermische Aspekte, die beim Betrieb von Solarzellen relevant sind, untersucht und Lösungsstrategien erarbeitet. ... mehrFür diese Untersuchungen werden qualitativ hochwertige Perowskit-Solarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 21,3 % eingesetzt. Die berichteten Wirkungsgrade stellen teilweise Rekorde für die verwendeten Absorberzusammensetzungen dar.

Als erster Aspekt wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die intrinsische thermische Stabilität der Metall-Halogenid-Perowskite von deren Zusammensetzung, insbesondere der A-seitigen Kationen, abhängt. Aufgrund dieser Erkenntnis wird eine Aussage über jene Absorberzusammensetzung, die am ehesten für eine kommerzielle Anwendung in Betracht gezogen werden kann, getroffen. Mit diesem Absorber wird eine thermische Stabilität bei einer Belastung bei 85 °C für 1000 h demonstriert. Ein weiterer wichtiger Aspekt im Hinblick auf die thermische Stabilität stellt die Stabilität unter Temperaturvariationen dar. Diese sind beim Betrieb von Solarzellen unvermeidbar. Es wird gezeigt, dass in manchen Perowskit-Solarzellen der Strom innerhalb von weniger als 3 h um bis zu 80 % reduziert wird, wenn diese mit realen Temperaturvariationen betrieben werden. Durch die detaillierte Analyse der Degradationsursache werden zunächst Lösungsstrategien zur Vermeidung dieser Degradation erarbeitet. Anschließend werden Perowskit-Solarzellen mit deutlich größerer Stabilität im Hinblick auf Temperaturvariationen gezeigt. Abschließend werden die Ergebnisse der Untersuchung zur intrinsischen thermischen Stabilität der Absorber und der Stabilität von Perowskit-Solarzellen, wenn diese Temperaturvariationen ausgesetzt werden, kombiniert. Neben realen Temperaturvariationen werden diese Solarzellen auch mit realen Lichtvariationen, die einen Tag-Nacht-Zyklus simulieren, betrieben.