Ein neues Passivierungskonzept für tin-lead (Sn-Pb) Perovskit- Solarzellen eliminiert das herkömmliche Additiv SnF₂ und steigert sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die thermische Beständigkeit. Die Methode, entwickelt von einem chinesisch-schwedischen Forscherteam (East China Normal University und Linköping University) und veröffentlicht in Nature Communications (Januar 2026), erreicht eine Spitzen- Effizienz von 24,07 % und behält nach 550 h bei 85 °C 60 % der Anfangseffizienz bei.
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Neue SnF₂-freie Passivierung – zentrale Ergebnisse
- Effizienz: 24,07 % (gegenüber 16,43 % bei Kontrolle mit SnF₂) auf einer Zellenfläche von 0,09 cm².
- Thermische Stabilität: 60 % Effizienz-Retention nach 550 h unter Maximum-Power-Point-Bedingungen bei 85 °C.
- Passivierungsschritte: Zugabe von Blei-Pulver im Vorläufer und PbF₂-Nachbehandlung des fertigen Perovskit-Films.
- Einfacher Schichtaufbau: ITO / P3CT-Cs / Perovskit / PbF₂ / C₆₀ / BCP / LiF / Cu.
- Relevanz: Verbesserte Langlebigkeit ohne toxische Zusätze, wichtig für Einzel- und Tandem-Solarzellen.
Warum SnF₂ in Sn-Pb-Perovskiten problematisch ist
SnF₂ wurde bisher als Antioxidations-Additiv eingesetzt, doch die Studie zeigt, dass es selbst parasitäre Reaktionen auslöst, die die Zellstabilität stark beeinträchtigen.
- SnF₂ reagiert mit Formamidiniodid (FAI) zu Perovskit-Zersetzung.
- Bei dieser Reaktion wird HF freigesetzt, das die ITO- und Cu-Elektroden korrodiert – bereits bei Raumtemperatur und ohne Licht.
- Die Zersetzung führt zu einer schnellen Degradation der photoaktiven Schicht.
- Antioxidationsstrategien allein konnten die photothermische Stabilität nicht signifikant erhöhen, weil die Ursache nicht nur die Oxidation von Sn²⁺ ist, sondern die chemischen Nebenreaktionen von SnF₂.
Funktionsweise der SnF₂-freien Passivierung
Ersatz durch Pb-Pulver
Lead-Pulver wird dem Vorläufergemisch zugefügt. Es wirkt auf zwei Arten:
- Antioxidativ: Entfernt Sn⁴⁺-Ionen, die sonst die Perovskit-Qualität mindern.
- Kristallisations-Regulierung: Fördert ein gleichmäßiges Kristallwachstum und reduziert Defekte im Bulk-Material.
PbF₂-Nachbehandlung
Nach dem Aufdampfen des Perovskit-Films wird eine PbF₂-Schicht aufgetragen. Die chemischen Vorteile sind:
- Inertität: Pb²⁺-d-Elektronen verstärken die Bindung zu F⁻, wodurch PbF₂ chemisch stabil bleibt und keine parasitären Reaktionen auslöst.
- Defekt-Passivierung: Oberflächenfehler werden effektiv gesättigt, was die Ladungsträger-Rekombination reduziert.
- Keine Freisetzung von HF oder anderen ätzenden Spezies, im Gegensatz zu SnF₂.
Leistungsdaten im Vergleich zum Stand der Technik
Die SnF₂-freie Zelle wird mit einer Kontrollzelle (mit SnF₂) und einem anderen fortgeschrittenen Sn-Pb-Ansatz verglichen, der 23,21 % Effizienz bei 81 % Retention nach 750 h bei 60 °C erreicht.
- SnF₂-frei: 24,07 % Effizienz, 60 % Retention nach 550 h bei 85 °C.
- Kontrolle mit SnF₂: 16,43 % Effizienz, keine Angabe zur Retention.
- Alternative Sn-Pb-Ansatz: 23,21 % Effizienz, 81 % Retention nach 750 h bei 60 °C.
Die neue Methode übertrifft die Kontrollzelle deutlich und liefert bei höheren Temperaturbedingungen (85 °C) vergleichbare oder bessere Stabilität als andere Ansätze, die bei niedrigeren Temperaturen (60 °C) getestet wurden.
Herstellungsbedingungen und Skalierbarkeit
Obwohl der Prozess als „geradezu unkompliziert“ beschrieben wird, erfordert er strenge Prozesskontrollen:
- Sehr niedriger Sauerstoffgehalt in der Fertigungsatmosphäre.
- Verwendung von hochreinem SnI₂.
- Präzise Einstellung der Film-Bildungstemperatur und der Nachbehandlung.
- Aktuell getestete Zellenfläche: 0,09 cm² – Upscaling-Effekte sind noch nicht untersucht.
- Potential für industrielle Produktion, jedoch könnten die extremen Reinheits- und Atmosphärenanforderungen die Skalierbarkeit einschränken.
Bedeutung für Tandem-Solarzellen und zukünftige Forschung
Die Ergebnisse haben direkte Implikationen für sowohl Einzel- als auch All-Perovskit-Tandem-Solarzellen:
- Verbesserte Hochtemperatur-Stabilität erleichtert den Einsatz in realen Klimabedingungen.
- Fehlender SnF₂-Zusatz reduziert toxische Belastungen und vereinfacht das Recycling.
- Die Kombination aus Pb-Pulver und PbF₂ könnte auch in anderen Sn-basierten Perovskiten-Architekturen angewendet werden.
- Die Autoren planen, die gleichzeitige Steigerung von Effizienz und Stabilität in All-Perovskit-Tandems weiter zu verfolgen.
Fazit
Die SnF₂-freie Passivierungsmethode demonstriert, dass die Beseitigung von SnF₂-induzierter parasitärer Chemie ein Schlüssel zur Realisierung hocheffizienter und thermisch stabiler Sn-Pb-Perovskit-Solarzellen ist. Mit einer nachgewiesenen Effizienz von 24,07 % und einer Retention von 60 % nach 550 h bei 85 °C stellt die Technologie einen bedeutenden Fortschritt gegenüber herkömmlichen Sn-Pb-Zellen dar, die typischerweise unter starkem Effizienz- und Stabilitätsverlust leiden. Trotz der noch offenen Frage nach der Skalierbarkeit auf größere Modulgrößen liefert die Studie ein klares chemisches Konzept – Pb-Pulver zur Entfernung von Sn⁴⁺ und PbF₂ zur Defekt-Passivierung – das Potenzial hat, zukünftige Forschungsarbeiten und industrielle Entwicklungen zu leiten. Die Methode eröffnet neue Perspektiven für die Integration von Sn-Pb-Perovskiten in hocheffiziente Tandem-Solarzellen und trägt dazu bei, die Lücke zwischen Labor-Performance und praktischer Anwendbarkeit zu schließen.
FAQ
Wie ersetzt Pb-Pulver das herkömmliche SnF₂?
Pb-Pulver bindet überschüssige Sn⁴⁺-Ionen und verhindert deren schädliche Reaktionen, wodurch die Perovskit-Qualität verbessert wird.
Welche Temperaturbedingungen wurden getestet?
Die Zellen wurden bei 85 °C für 550 Stunden unter Maximum-Power-Point-Bedingungen stabil betrieben.
Ist die Methode für die Massenproduktion geeignet?
Obwohl das Konzept vielversprechend ist, erfordert die Skalierung sehr reine Prozessbedingungen und kontrollierte Atmosphäre, was die industrielle Umsetzung herausfordernd macht.
