Hybride Tandem-Solarzellen auf Basis von Organometall-Halid Perowskit-Zellen und organischen Solarzellen mit kleiner Energielücke (MUJUPO)

Tandem-Solarzellen bestehend aus Teil-Zellen mit unterschiedlicher Energielücke erlauben reduzierte Thermalisierungsverluste. Das größte Limit für organische Tandemzellen stellt die Teil-Zelle mit großer Energielücke (typisch 1.8 eV) dar. Hier wäre eine hohe Leerlaufspannung bei gleichzeitig hoher externer Quanteneffizienz gefordert, was selbst für die besten bekannten fotoaktiven organischen Systeme mit einer Verlustspannung (Differenz zw. 1/q * Eg und Voc) von 0.8-1 V derzeit nur unzulänglich erfüllt ist. Der vorliegende Antrag hat das Ziel, die Teil-Zelle mit großer Energielücke mit einem Absorber aus der Klasse der Organo-Metal Halid Perowskite zu realisieren, die sich durch sehr geringe Verlustspannungen auszeichnen. Ihre Energielücke ist über die Komposition des Perowskit einstellbar. Zwar wurden für Perowskit-Solarzellen bereits Effizienzen von über 20% berichtet, allerdings bestehen im Zusammenhang mit vielfach verwendeten Systemen, wie z.B. Methyammonium-Blei- Iodid (MAPbI3), große Bedenken hinsichtlich ihrer Langzeit-Stabilität. Systeme mit gemischten Kationen (z.B. MA+ und Cs+) und gemischten Halogenidionen (z.B. I- und Br-), also MA1-xCsxPb(I(1-y)Bry)3 weisen hingegen eine deutlich bessere Stabilität auf. In aller Regel führt aber sowohl die Zugabe von Cs als auch von Br zu einer Vergrößerung der Bandlücke, was ihrer Verwendung in Tandemzellen im obigen Sinn zu Gute kommt. Für die Teilzelle mit kleiner Energielücke (1.2-1.3 eV) sind organische Systeme verfügbar und ausgewählte Materialien werden für dieses Projekt auch von der Gruppe von Prof. Janssen (TU Eindhoven) bereitgestellt. Bis heute wurden keine Tandemzellen auf Basis von MA1-xCsxPb(I(1-y)Bry)3 o.ä. in Kombination mit einer organischen Teil-Zelle kleiner Energielücke realisiert. An erster Stelle steht neben der Etablierung eines robusten Herstellungsprotokolls für diese neuen gemischten Perowskite die genaue Analyse ihrer elektronischen Struktur mittels Photoelektronen-Spektroskopie und die Aufklärung von Energiebarrieren an der Grenzfläche zu angrenzenden Ladungsextraktionsschichten im Vordergrund. Dies ist bislang z.B. für MA1-xCsxPb(I(1-y)Bry)3 und ähnliche Verbindungen nicht untersucht, ist aber die Voraussetzung für die Auswahl energetisch optimal angepasster Zwischenschichten, welche nicht nur die Ladungsträgerextraktion verbessern sondern auch die Stabilität der Zelle erhöhen. Häufig wird dabei allerdings bei hohen Temperaturen (>400°C) hergestelltes mikroporöses TiO2 verwendet. In diesem Projekt werden stattdessen quervernetzbare organische Halbleiter und Metalloxide betrachtet, die bei niederen Temperaturen (<100°C) hergestellt werden können. Diese bilden auch die Materialplattform für die Verbindungsarchitektur monolithisch integrierter Tandemzellen, welche in diesem Vorhaben entworfen und realisiert werden. Wir erwarten dadurch bei niederen Temperaturen (<100°C) herstellbare, langzeitstabile hybride Tandemzellen mit einer Effizienz von > 20%.

Laufzeit:
01.11.2018 - 31.10.2020

Projektleiter:
Prof. Dr. T. Riedl

Budget: 201.700 €