Bei Solarzellen werden Materialien verwendet, die Photonen aus Sonnenlicht in einem weiten Spektralbereich absorbieren und dieses eingefangene Licht effektiv in freie Ladungen umwandeln, die Strom erzeugen. Moderne Solarzellen basieren auf kristallinem Silizium (c-Si), das ein billiger und reichlich vorhandener Halbleiter ist, aber die Kosten für die Stromerzeugung sind relativ hoch, da die Wirkungsgrade von c-Si-basierten Zellen relativ niedrig sind. Daher wurden Dünnschichtsolarzellen entwickelt, um den inhärenten Ineffizienzen des kristallinen Siliziums entgegenzuwirken. Technologien wie CIGS, CdTE, amorphes Silizium und OPV verfolgen das Ziel, Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden bei guter Zellstabilität und niedrigen Herstellungskosten zu entwickeln.
Es gibt jedoch einen neuartigen Werkstoff, der das Potenzial hat, den Bereich der Photovoltaik zu revolutionieren: Materialien auf Perowskit-Struktur-Basis. Eine Perowskit-Struktur ist jedes Material mit der Formel ABX3 und es ist die jüngste Arbeit mit Fokus auf Organometallhalogenid-Perowskite, die der Solarenergiewelt kürzlich neuen Auftrieb beschert hat. Um diese aufregende Technologie voranzutreiben, steht Kurt J. Lesker von Anfang an mit im Mittelpunkt dieser Schlüsselforschung.
Perowskit-Solarzellenwirkungsgrade vs. vorhandene Technologien
Die ideale Solarzelle sollte eine hohe Ladungsträgermobilität aufweisen, welche für die Ladungsextraktion erforderlich ist, sowie einen weiten spektralen Absorptionsbereich. In der Vergangenheit war es schwierig, beide Facetten mit vorhandenen Materialien zu erhalten, aber es wurde festgestellt, dass Perowskit-Strukturen ein tragfähiges Gleichgewicht zwischen den beiden Anforderungen bieten. Darüber hinaus hat die bahnbrechende Forschung unter der Leitung von Professor Henry Snaith (a) im Department of Physics an der University of Oxford, UK mit einem Kurt J Lesker Mini-SPECTROS™ System gezeigt, dass aufgedampfte Perowskite mit einem höheren Grad an Kristallinität hergestellt werden können, als in Lösungs-basierten Methoden, so dass Perowskit-Solarzellen nun effektiv mit bestehenden Dünnschichtzellentechnologien konkurrieren können (siehe Grafik unten). Über diesen großen Schritt in der Entwicklung der Perowskit-Solarzellen, wurde in der renommierten Zeitschrift Nature berichtet ( Link zum Artikel ).
(a) Henry Snaith
(b) Kurt J. Lesker Mitarbeiter im Oxford University Lab
(c) Rekordbrechende 330nm dicke Perowskitvorrichtung mit einem Wirkungsgrad von 15,4 %.
Das Mini-SPECTROS System ist ein vielseitig einsetzbares Perowskit-Depositionssystem, das Kurt J. Lesker eKLipse™ Software verwendet, um Kurt J. Lesker Niedertemperaturverdampfungsquellen (LTE) präzise zu steuern. Diese Quellen sind ideal für die Deposition von Perowskitmaterialien. Das Mini-SPECTROS System bietet dem Forscher eine sehr präzise Steuerung der Verdampfungs-/Depositionsrate und erlaubt eine Materialdotierung im Co-Depositionsmodus, was zu sehr hoher Gleichförmigkeit und Homogenität des Films führt, was für die Herstellung von Perowskit-Geräten wichtig ist. Kurt J. Lesker bietet auch Gloveboxen zur Integration mit den Mini-SPECTROS Systemen an, sowie Glovebox-Zubehör wie Spin-Coater, Heizplatten und Solar-Simulatoren.
Die Gruppe um Henry Snaith arbeitete mit der Forschungsgruppe von Professor Michael Johnson in Oxford zusammen, hier abgebildet mit Kurt J. Lesker Mitarbeitern in Foto(b) und Mingzhen Liu (gemeinsamer Schüler von Snaith und Johnson) betrachteten die Dünnschichtstruktur von [TiO2/CH3NH3PbI3/OmeTAD] und benutzte das Kurt J. Lesker Mini-SPECTROS-System, um die Vorläufersalze von CH gemeinsam zu deponieren3NH3I und PbCl2 aus zwei LTE-Quellen (siehe Aufbau unten) zur Ablagerung der Perowskit-Schicht von CH3NH3PbI3-xClx und erzeugen ein Rekordverdächtiges 330nm dickes Perowskit-Gerät(c) mit einem Wirkungsgrad von 15,4%. Mit dieser Zahl behauptet sich der im Vakuum beschichtete Perowskit gut gegenüber den bestehenden Solarzellentechnologien. Henry Snaith sagt voraus, dass in den nächsten 5 Jahren Wirkungsgrade von >20 % mit Perowskiten möglich sein werden.
Kurt J Lesker Mini-SPECTROS Perowskit-Depositionssystem (Glovebox nicht abgebildet)
Kurt J. Lesker Mini-SPECTROS System: Layout zur Perowskit Co-Deposition
Bezüglich des Mini-SPECTROS Systems und der Zusammenarbeit mit Kurt J. Lesker kommentierte Henry Snaith wie folgt:
„Das Mini-SPECTROS System hat sich als ideales Werkzeug für den schnellen Nachweis der Machbarkeit von aufgedampften Perowskit-Solarzellen erwiesen. Die Kombination von organischen und metallischen Quellen bietet eine große Vielseitigkeit für die Untersuchung neuer Materialien mit einem breiten Spektrum von Depositionstemperaturen. Der schnelle und freundliche Service von Lesker hat uns auch geholfen, das Beste aus diesem Tool herauszuholen.“ Professor Henry Snaith, Universität Oxford
Die Vorteile der aufgedampften Perowskite mit dem Mini-SPECTROS System werden in der Abhandlung der Zeitschrift Nature angesprochen:
„Dual-source vapour deposition results in superior uniformity of the coated perovskite films over a range of length scales, which subsequently results in substantially improved solar cell performance.“
„A distinct advantage of vapour deposition over solution processing is the ability to prepare layered multi-stack thin films over large areas.“
„Vapour deposition can lead to full optimization of electronic contact at interfaces through multilayers with controlled levels of doping.“
„..with vapour deposition the charge-collection interfaces can be carefully tuned, and multi-junction architectures are more straightforward to realize.“
„..because vapour deposition of the perovskite layers is entirely compatible with conventional processing methods for silicon wafer-based and thin-film solar cells, the infrastructure could already be in place to scale up this technology.“
Wenn Sie sich für die Gasphasenabscheidung von Perowskit-Solarzellen interessieren, dann hat Kurt J. Lesker das passende Depositionssystem mit Glovebox für Sie.
Kontaktieren Sie uns gerne, um Ihr Forschunngsvorhaben mit uns zu besprechen. Wir freuen uns darauf, von Ihnen zu hören!