Eine Gruppe chinesischer Forscher hat eine Methode zur elektrischen 3D-Bildgebung entwickelt, die direkt aufzeigt, wie die Passivierung von Defekten die Qualität von Perowskitfilmen und damit die Leistung von Solarzellen verbessert. Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift „Newton“ veröffentlicht.

Perowskit-Solarzellen haben als kostengünstige und hocheffiziente Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen große Aufmerksamkeit erlangt. Defekte im Inneren von Perowskitfilmen können jedoch den Ladungstransport behindern und so zu Energieverlusten und einer niedrigeren Betriebsstabilität führen.

Passivierungsbehandlungen zielen darauf ab, diese Defekte zu reduzieren. Der Nachweis ihrer Wirksamkeit im Inneren der Filme war bisher jedoch schwierig, da die meisten Charakterisierungsmethoden entweder nur die Oberfläche untersuchen oder lediglich gemittelte makroskopische Informationen liefern. Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Forscher des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die tomographische leitfähige Rasterkraftmikroskopie, um die Stromverteilung in Perowskitfilmen sichtbar zu machen.

Bei dieser Technik werden nacheinander ultradünne Filmschichten abgetragen, während gleichzeitig die lokale elektrische Leitfähigkeit in verschiedenen Tiefen gemessen wird. Durch die Kombination dieser Messungen wird eine 3D-Karte des Ladungstransports im Film mit nanometergenauer Auflösung rekonstruiert.

Mithilfe dieses Ansatzes untersuchten die Forscher das interne elektrische Verhalten von Perowskitfilmen, die unter Anwendung verschiedener Passivierungsstrategien behandelt wurden.

Unbehandelte Filme wiesen ausgedehnte Bereiche mit geringer Leitfähigkeit auf, die den Ladungstransport behinderten, während Passivierung in großem Umfang diese Bereiche deutlich reduzierte, insbesondere entlang der Korngrenzen. Eine Oberflächenpassivierung erhöhte hauptsächlich die Leitfähigkeit nahe der oberen Grenzfläche, die für die Integration in Bauelemente entscheidend ist. Filme, die sowohl einer Volumen- als auch einer Oberflächenpassivierung unterzogen wurden, zeigten die gleichmäßigsten und kontinuierlichsten leitfähigen Pfade auf, wobei die verbleibenden Bereiche mit geringer Leitfähigkeit hauptsächlich auf die Oberfläche beschränkt waren.

„Diese mikroskopischen elektrischen Eigenschaften korrelieren eng mit der resultierenden Solarzellenleistung und stellen einen direkten Zusammenhang zwischen dem dreidimensionalen Ladungstransport innerhalb des Films und dem Gesamtwirkungsgrad des Bauelements her“, erklärte Professor Xiao Chuanxiao, einer der Hauptautoren der Studie.

Durch die direkte dreidimensionale Darstellung der Elektronenbewegung in Perowskitfilmen bietet diese Arbeit ein leistungsstarkes Werkzeug zur Bewertung und Optimierung von Passivierungsstrategien. Es ebnet den Weg für die Entwicklung hochwertigerer Perowskitmaterialien und ermöglicht so effizientere und stabilere Perowskit-Solarzellen.