Perowskit-Solarzellen gelten als kostengünstig und leistungsstark, weisen jedoch bislang eine begrenzte Langzeit-Stabilität auf. Ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate hat nun eine Lösung entwickelt: Eine neuartige Zwischenschicht aus Fluorverbindungen zwischen Perowskit- und C60-Kontaktschicht erhöht sowohl die Effizienz als auch die strukturelle Stabilität bedeutend. Der Wirkungsgrad stieg auf knapp 27 Prozent und blieb auch nach 1’200 Stunden Dauerbetrieb konstant. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.
Chemische Barriere als Schutzschicht
Die Fluorverbindung bildet an der Grenzfläche einen fast monomolekularen Film. «Wir haben eine Fluorverbindung verwendet, die zwischen die Perowskitschicht und der Buckyball-Kontaktschicht (C60) gleitet und dort einen fast monomolekularen Film bildet», erklärt Abate. Die Moleküle wirken als chemische Barriere und reduzieren Defekte an der Grenzfläche. Gleichzeitig verbessern sie die strukturelle Integrität, insbesondere der C60-Schicht. «Es ist eigentlich wie der Teflon-Effekt», sagt Abate. «Die Zwischenschicht bildet eine chemische Barriere, die Defekte verhindert, während der Ladungstransport weiterhin möglich bleibt.»
Internationale Zusammenarbeit
Ein grosser Teil der experimentellen Arbeit stammt vom Erstautor Guixiang Li, der als Doktorand in Abates Team tätig war und heute als Professor an der Southeast University in Nanjing arbeitet. Weitere Beiträge kamen von Forschungsteams der École Polytechnique Fédérale de Lausanne sowie dem Imperial College London. Die Zusammenarbeit umfasste Materialentwicklung, Strukturanalysen und Stabilitätstests.
Stabilitätstests über Monate
Die mit der Zwischenschicht ausgestatteten Perowskit-Solarzellen erreichten im Labormassstab einen Wirkungsgrad von 27 Prozent. Zum Vergleich: Zellen ohne Zwischenschicht erzielten 26 Prozent. Entscheidend ist die verbesserte Haltbarkeit.
«1’200 Stunden entsprechen einem Jahr im Aussenbereich», betont Abate. Während Vergleichszellen ohne fluorhaltige Barriere bereits nach 300 Stunden rund zwanzig Prozent ihrer Effizienz verloren, blieb die Leistung der beschichteten Zellen stabil. Weitere Tests zeigten robuste thermische Stabilität: 1’800 Stunden Alterung bei 85 °C sowie 200 Temperaturzyklen zwischen –40 °C und +85 °C. Die verwendete invertierte p-i-n-Struktur eignet sich zudem für Tandemarchitekturen, etwa in Kombination mit Siliziumzellen.
Hintergrund und Ausblick
Die Grundidee reicht bis 2014 zurück. «Die Idee, solche teflonartigen Moleküle zur Bildung einer Zwischenschicht zu verwenden, beschäftigt mich seit meiner Zeit als Postdoktorand im Labor von Henry Snaith, der Pionierarbeit auf dem Gebiet der Perowskit-Materialien geleistet hat. Damals, im Jahr 2014, lag der Wirkungsgrad bei nur 15 Prozent und sank innerhalb weniger Stunden deutlich. Wir haben enorme Fortschritte gemacht», sagt Abate.
Die Resultate gelten als wichtiger Schritt zur Entwicklung langlebiger, hocheffizienter optoelektronischer Bauelemente auf Perowskitbasis.
Literatur
Guixiang Li, Zuhong Zhang, Benjamin Agyei-Tuffour, Luyan Wu, Thomas W. Gries, Karunanantharajah Prashanthan, Artem Musiienko, Jinzhao Li, Rui Zhu, Lucy J. F. Hart, Luyao Wang, Zhe Li, Bo Hou, Michele Saba, Piers R. F. Barnes, Jenny Nelson, Paul J. Dyson, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Meng Li, Antonio Abate; "Stabilizing high-efficiency perovskite solar cells via strategic interfacial contact engineering"; Nature Photonics, 2025-11-7