Gedruckte Perowskit-Zellen und -Module bestehen erstmals Hot Spot- und Sperrspannungstest

Eine der größten Herausforderungen der Perowskit-Photovoltaik ist die Langzeitstabilität. Trotz großer Fortschritte bei der Verbesserung der Lebensdauer dieser Solarzellen wurde ihre Degradation bei angelegter negativer Spannung bisher kaum berücksichtigt. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, der Solaronix SA, der Universität von Colorado und des Materialforschungszentrums der Universität Freiburg hat nun Perowskit-Solarzellen mit kohlenstoffbasierten Elektroden vorgestellt, die sich als besonders widerstandsfähig gegen die durch die Rückwärtsspannung verursachte Degradation erweisen. Als Hauptdegradationsmechanismen wurden der Jodverlust und die starke Erwärmung bei Spannungen unter -9 V identifiziert. Die Module haben den Hotspot-Test nach der internationalen Norm IEC 61215-2:2016 in einem akkreditierten Modulprüflabor erfolgreich bestanden.

© Fraunhofer ISE
Perowskit-Solarzellen mit kohlenstoffbasierten Elektroden erweisen sich als besonders widerstandsfähig gegen die durch die Rückwärtsspannung verursachte Degradation.

In früheren Studien führte eine angelegte negative Spannung bei herkömmlichen Perowskit-Architekturen zum Durchbruch und zur irreversiblen Zerstörung der Solarzelle. In der Studie identifizierte die internationale Forschergruppe zwei Hauptdegradationsmechanismen. Der erste ist der Jodverlust durch das Tunneln von Löchern in die Perowskitschicht, der schon bei geringer Sperrspannung auftritt, die Perowskitkristalle aber erst langsam zersetzt. Ein weiterer Faktor ist die lokale Erwärmung bei großer Sperrspannung, die zur Bildung von PbI2 führt, welches an Shunts beginnt und dann dem Weg des geringsten Widerstands für den Strom folgt, der in erster Linie durch den Schichtwiderstand der Elektroden beeinflusst wird.

Diese Mechanismen wurden insbesondere durch die im Projekt von Fraunhofer ISE und Solaronix entwickelten monolithischen Perowskit-Solarzellen mit sehr stabilen Graphitelektroden überwunden. Im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Metallelektroden neigen Elektroden auf Kohlenstoffbasis weder zum Schmelzen bei erhöhter Temperatur noch zur ionischen Interdiffusion oder zur Reaktion mit dem Perowskit-Absorber. Auch ist keine Gefahr der Elektrodenoxidation gegeben, was sie zu einem idealen Kandidaten für eine verbesserte Stabilität von Perowskit-Solarzellen macht.

In dieser Studie haben Perowskit-Solarzellen und -module zum ersten Mal den Hot Spot-Tests nach IEC 61215-2:2016 im akkreditierten »TestLab PV Modules« des Fraunhofer ISE bestanden. »In den letzten Jahren wurde viel in Bezug auf die Langzeitstabilität von Perowskiten erreicht, aber die Zerstörung unter Rückwärtsspannung war bisher ein ungelöstes Problem. Wir freuen uns sehr, dass wir dieses Problem überwinden konnten«, sagt der Studien-Erstautor Dmitry Bogachuk vom Fraunhofer ISE. »Das Bestehen dieses Tests bestätigt die herausragende Stabilität von Perowskit-Solarzellen mit kohlenstoffbasierten Elektroden und unterstreicht ihr großes Potenzial für die industrielle Nutzung. Dies ist ein wichtiger Schritt für die Kommerzialisierung von Perowskit-PV«, fügt David Martineau von Solaronix SA hinzu.

Die Ergebnisse der Studie sind im Paper »Perovskite Photovoltaic Devices with Carbon-Based Electrodes Withstanding Reverse-Bias Voltages Up to -9V and Surpassing IEC 61215:2016 International Standard« des Journals SolarRRL erschienen.

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