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Charakterisierung und Strukturierung für Perowskit-basierte Optoelektronik
In dem Projekt „REACT-EU -"Recovery Assistance for Cohesion and the Territories of Europe" (Aufbauhilfe für den Zusammenhalt und die Gebiete Europas)“ wurden die Mittel bereitgestellt, um eine exzellente Infrastruktur für die Charakterisierung von Perowskit-basierten Tandemsolarzellen aufzubauen. Dies beinhaltet zum einen Standard-Solarzellencharakterisierungsmethoden, wie Strom-Spannungskennlinien (IV) und Externe Quanteneffizienz (EQE), Schichtcharakterisierung sowie fortgeschrittene Photolumineszenz-basierte Methoden. Zusätzlich wurden Geräte beschafft, mit denen sich Perowskit-Solarzellen mit Nanostrukturen versehen lassen, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Hintergrund
Die Photovoltaik wird absehbar die wichtigste Energiequelle für kosteneffizienten Klimaschutz werden. Der globale enorme Ausbau führt aber absehbar zu Herausforderungen insbesondere im Bereich der Material- und Ressourcenverfügbarkeit. In diesem Kontext sind insbesondere Perowskit-basierte Tandemsolarzellen eine vielversprechende Technologie, die niedrigen Ressourcenverbrauch und niedrige Kosten verspricht. Allerdings ist auch hier noch weitere Forschung notwendig, um durch auf Erkenntnisgewinn gestützte Innovationen die Technologie zur Marktreife zu bringen und umfängliche Nachhaltigkeit zu erreichen.
Die Forschung an Perowskitsolarzellen kann grob in drei Arbeitsschritte eingeteilt werden:
(i) Die Herstellung der Solarzellen und die dafür notwendige Material und Prozessentwicklung
(ii) Die Charakterisierung und Vermessung der hergestellten Materialien und Solarzellen
(iii) Die theoretische Beschreibung und Modellierung der zu Grunde liegenden physikalischen Phänomenen und die Nutzung dieser Modelle, um Ansätze für eine Verbesserung der Solarzelledesigns zu generieren
Während der Prozessentwicklung, müssen wesentliche Schichteigenschaften präzise eingestellt werden, was eine kontinuierliche Charakterisierung erfordert. Dazu zählen Schichtdicke (Ellipsometer), Leitfähigkeit (Hall), und Zusammensetzung (UV-Vis). Mit den entwickelten Prozessen werden dann Solarzellen hergestellt. Diese werden mittels IV-Messplatz und EQE auf ihre Effizienz hin untersucht. Im Alterungsmessplatz wird anschlileßend die Langzeitstabilität untersucht. Mit den PL basierten Methoden (Hyperspectral, kalibiert, TR-PL) lässt sich das physikalische Verständnis vertiefen und Ansatzpunkte für weitere Verbesserungen identifizieren. Aufbauend auf den ersten Versuchen wird mittelfristig auch die Nanostrukturierung zur Effizienzverbesserung zum Einsatz kommen.
Eine hochklassige Geräteausstattung ist sowohl im Bereich der Herstellung, als auch im Bereich der Charakterisierung von zentraler Bedeutung für den Erfolg.
Folgenden Geräte wurden im Rahmen des „REACT-EU“-Projektes beschafft:
Sonnensimulator IV
Mit diesem Aufbau können unter sonnenähnlicher Beleuchtung Strom-Spannungskennlinien gemessen werden. Die Beleuchtung erfolgt über einen LED-Sonnensimulator. Die Solarzellen werden auf einem Messblock kontaktiert und gekühlt. Steuerung und Messung erfolgt über ein mit dem PC integrierten Vier-Quadranten Netzteil.
EQE-Messplatz
Die Solarzellen befinden sich auf einem gekühlten Messblock und werden mit monochromatischem Licht bestrahlt, während der Kurzschlussstrom gemessen wird. Durch eine Variation der Lichtwellenlänge kann die spektrale Effizienz der Solarzelle gemessen werden.
Alterungsmessplatz
Die Solarzellen werden in einer Kammer einem definierten Klima ausgesetzt (Temperatur, Luftfeuchte, Sauerstoffgehalt) und dann unter konstanter oder zyklischer Beleuchtung und definierten elektrischen Zustand (Leerlauf, Kurzschluss oder Maximum Power Point) über lange Zeiträume von einigen tausend Stunden gealtert. Dabei wird in regelmäßigen Abständen eine IV-Kennlinie gemessen.
Absolut kalibrierte Photolumineszenz (PL)
Mit diesem kompakten Tool wird in einer Ulbrichtkugel die Photolumineszenz absolut kalibriert gemessen. Durch entsprechende Auswerteroutinen kann dann z.B. die interne Spannung in einer Halbleiterschicht gemessen werden.
Zeitaufgelöste Photolumineszenz (PL)
Mit diesem selbst-konstruierten Aufbau können zeitaufgelöste PL-Signale auch nach langer kontinuierlicher Beleuchtung gemessen werden.
PL Imaging
Mit diesem Hyperspectral Imaging Aufbau lassen sich orts- und spektral aufgelöste Messungen durchführen. Durch unterschiedlichen Lichtanregungen lassen sich die einzelnen Teilzellen einer Tandemsolarzelle gezielt untersuchen.
UV-Vis Spektrometer
Mit dem UV-Vis Spektrometer können Reflexion und Transmission gemessen und auf diese Weise die Absorption der Probe und wichtige Eigenschaften wie z.B. die Bandlücke eines Halbleiters bestimmt werden.
Ellipsometer
Mit dem spektralen Ellipsometer ist es möglich, Dicken sowie den Brechungsindex von dünnen Schichten zu bestimmen.
Hall Messplatz
Mit diesem Hall-Messplatz lassen sich Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit in Halbleiter unter variierender Beleuchtung und Temperatur bestimmen.
Heißpresse
Zur Herstellung optischer Nanostrukturen durch Übertragung von lithografisch hergestellten Stempeln auf Perowskit und andere Schichten unter Druck und Wärme.