Perowskit-Materialien entwickeln sich zunehmend zu einer erstzunehmenden kostengünstigen Alternative zu herkömmlichen Silizium-basierten Solarzellen. Innerhalb kürzester Zeit ist es gelungen, die Effizienz dieser Solarzellen auf über 22 % und damit in den Bereich etablierter Technologien zu steigern.
Perowskit-Solarzellen bestehen typischerweise aus einer Abfolge Nanometer-dünner Schichten, die auf Glas oder Kunststofffolien abgeschieden werden. Dabei ist die photoaktive Perowskit-Schicht von verschiedenen selektiven Kontaktschichten umgeben, die die photo-generierten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) abziehen und zu den Elektroden führen. Das Abscheiden der Schichten erfolgt meist nasschemisch (etwa mittels spin coating). Dabei stellt das Erlangen homogener kristalliner Strukturen eine große Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere dann, wenn neue Materialkombinationen für verbesserte Materialeigenschaften (höhere Stabilität, größere bzw. kleinere Bandlücken etc.) erprobt werden sollen. Defekte im Material, Reste der Ausgangsmaterialien und andere Unzulänglichkeiten können die Effizienz des Materials erheblich reduzieren. Eine der Gründe für das große Effizienzpotenzial der Perowskit-Materialien ist die Kombination aus relativ langer Lebensdauer und relativ hoher Mobilität der Ladungsträger, die zusammengenommen zu einer großen Diffusionslänge führt – eine Grundvoraussetzung für gute Solarzellen. Die Lebensdauern der Ladungsträger können durch die Defekte, Reste der Ausgangsmaterialien und andere Störstellen sowie Korn- und Grenzflächen lokal reduziert werden. Auch ungünstig kombinierte Kontaktmaterialien können die Lebensdauern reduzieren. Eine lokale Reduktion der Lebensdauern führt zu einer Verringerung der Effizienz und sollte vermieden werden.
Im Rahmen des Vorhabens wird ein zeitaufgelöstes Fluoreszenz-Mikroskop aufgebaut und erprobt, das die Lebensdauern der Ladungsträger verschiedener Perowskit-Schichten punktuell mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung vermessen kann. Mit diesem bildgebenden Verfahren soll es möglich werden, Herstellungsprozesse und Materialkombinationen hinsichtlich der opto-elektronischen Bauteileffizienzen zu untersuchen. Darüber hinaus soll das Messverfahren zur Charakterisierung und Optimierung von mittels Lasern im Perowskit-Material erzeugten Strukturen genutzt werden. Die Laserstrukturierung von Perowskit-Solarzellen dient der elektrischen Verschaltung zu Solarmodulen. Bei der Strukturierung wird das Material selektiv in sehr feinen Linien abgetragen. Ob der Abtrag in der gewünschten Weise erfolgt und ob das umliegende Material dabei beeinträchtigt wird, kann mithilfe des Messverfahrens untersucht werden.
Zur Methode des zeitaufgelösten Photo-Lumineszenz-Mikroskops: Nach der Laseranregung des zu untersuchenden Materials wird Licht ausgesandt (Photolumineszenz), das wertvolle Informationen über Art und Zustand des Materials beinhaltet. Wird die Photolumineszenz zeitaufgelöst vermessen, kann aus der Abklingkurve auf die Lebensdauer der photo-generierten Ladungsträger geschlossen werden. Befindet sich an einem Punkt auf der Solarzelle eine Störstelle, so wird die Photolumineszenz deutlich schneller abklingen. Aus der daraus errechneten Lebensdauer können Rückschlüsse über die Art des Verlustprozesses an der Störstelle getroffen werden. Im Projekt wird die zeitaufgelöste Photolumineszenz ortsaufgelöst mittels eines konfokalen Scanning-Mikroskopieverfahrens vermessen. Dabei bedingt der Fokus des anregenden Lasers auf die Probe die Ortsauflösung des Mikroskops. Die Probe wird auf einem in x- und y-Richtung präzise verstellbaren Tisch unter dem ortsfesten Laserfokus verfahren. Die Photolumineszenz wird über ein Spiegel- Linsen- und Filtersystem auf einen Multiplier-Detektor geleitet. Die hohe Zeitauflösung von unter 100 Pikosekunden wird über die Detektionsmethode der „Einzelphotonenzählung“ (tcspc = time-correlated single photon countig,) erreicht.

• Prof. Dr. Andreas Bartelt (Projektleitung)

• Becker&Hickl GmbH
• Helmholtz-Zentrum Berlin