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The purpose of a photovoltaic cell is to convert sunlight into electricity. By absorbing the sunlight, pairs of charge carriers are generated and then need to be guided to the opposite sides of the photovoltaic diode to produce electrical current. To facilitate this process, most solar cells include a heterojunction that provides a favourable energetic landscape to drive the charges to be separated. For example, silicon solar cells form a heterojunction by electrically doping each side of the device, forming a p-n junction. Organic solar cells, on the other hand, rely on blending different types of materials (donor and acceptor) to form a bulk heterojunction. However, these concepts are often not applicable to emerging classes of novel photovoltaic materials.

Prof. Vaynzof and her team have now shown an entirely new concept for the formation of a heterojunction for photovoltaics. To do so, the researchers take advantage of the fact that materials can often exist in different structural configurations, termed crystalline phases. This phenomenon, called polymorphism, means that the same material can exhibit different properties, depending on the specific arrangements of atoms and molecules in its structure. By interfacing two such phases of the same material, Prof Vaynzof and her team demonstrated for the first time the formation of a phase heterojunction solar cells. Specifically, the researchers chose a caesium lead iodide perovskite – a highly efficient solar cell absorber material – in the beta and gamma phases to realise their new concept.

“The optical and electronic properties of caesium lead iodide in its beta and gamma phase are different from each other” explains Prof. Vaynzof. “By placing a gamma-perovskite on top of the beta-perovskite we were able to fabricate a phase heterojunction solar cell, that is significantly more efficient as compared to solar cells that are based on single phase perovskites.” The researchers show in their study, that the top layer of gamma-phase influences the performance of the solar cells in multiple ways. “Even thin layers of gamma-perovskite led to a performance improvement due to the passivation of defects at the surface of the bottom layer. Thicker layers of gamma-phase resulted in significant improvement in all of the photovoltaic performance parameters with the champion device reaching a power conversion efficiency of over 20%.” adds Ran Ji, the lead author of the study. “Advanced spectroscopic analysis revealed that this improvement in performance is associated with increased light absorption and the formation of an advantageous energetic alignment between the two phases.” explains Prof. Vaynzof. Importantly, the researchers confirmed that the phase heterojunction remains stable during solar cell operation and even supresses ion migration in the solar cell absorber, resolving a common problem for perovskite materials.

To realize the phase heterojunction concept, the scientists utilized two different fabrication processes for the top and the bottom layers. This versatile approach opens the path to the formation of other such structures in the future. “We hope that this novel concept combined with a simple fabrication route for phase heterojunctions will be applicable also to a variety of material systems in a range of electronic and optoelectronic devices” says Prof. Vaynzof. Since many semiconductor classes exhibit polymorphism, the concept could pave the way to entirely new applications that operate based on phase heterojunctions, that can be created from a single material using simple and inexpensive fabrication processes.

The work titled: “Perovskite Phase Heterojunction Solar Cells” is published in the prestigious and renowned journal “Nature Energy”
Link: https://www.nature.com/articles/s41560-022-01154-y
DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
Authors: Ran Ji, Zongbao Zhang, Yvonne J. Hofstetter, Robin Buschbeck, Christian Hänisch, Fabian Paulus & Yana Vaynzof

Illustration:

Caption: Phase heterojunction concept.
Author: ©PIXELWG, Jörg Bandmann

Contact details:

Prof. Dr. Yana Vaynzof
Chair of Emerging Electronic Technologies at the Institute for Applied Physics and Photonic Materials and the Center for Advancing Electronics Dresden - cfaed at TU Dresden
Tel. +49 351 463-42132
E-Mail: yana.vaynzof@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf, cfaed
Science communication
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Ein neues Konzept für Solarzellen - entwickelt an der TU Dresden

Die Gruppe um Prof. Dr. Yana Vaynzof am Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der Technischen Universität Dresden hat ein völlig neues Konzept für Solarzellen entwickelt. Dieses macht sich die Tatsache zunutze, dass Materialien in unterschiedlichen Kristallmodifikationen vorliegen können. Die entsprechende Studie wurde nun bei der renommierten Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlicht.

Der Zweck einer photovoltaischen Zelle ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Durch Absorption von Sonnenlicht entstehen im Material Paare von Ladungsträgern, die zu unterschiedlichen Polen der Solarzelle geleitet werden müssen, um den elektrischen Stromfluss zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, müssen Solarzellen einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien aufweisen, der den Ladungsträgern die ideale „elektronische Landschaft“ für die Trennung bietet. In Siliziumsolarzellen wird dies durch Bereiche im Material erreicht, die unterschiedlich dotiert sind und einen sogenannten p-n-Übergang bilden. In organischen Solarzellen erreicht man einen solchen Heteroübergang beispielsweise durch Mischung zweier Halbleitermaterialien, mit einem Donor und einem Akzeptor. Für neuartige Materialsysteme sind diese Methoden jedoch kaum geeignet.

Prof. Vaynzof und ihr Team zeigten nun, dass ein solcher Heteroübergang in Solarzellen auch völlig anders erzeugt werden kann. Dafür nutzten die Forscher aus, dass manche Materialien in unterschiedlichen Kristallformen (Phasen) vorliegen können. Dieses Phänomen der Polymorphie bedeutet, dass ein Material unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, je nachdem wie seine Atome und Moleküle im Kristallgitter angeordnet sind. Prof. Vaynzof und ihrem Team ist es erstmals gelungen, einen Heteroübergang in Solarzellen zu bilden, in dem sie das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen zusammengebracht haben. Um die neue Funktionsweise zu demonstrieren, nutzten die Forscher Cäsium-Blei-Iodid Perowskit – ein effizientes Absorbermaterial für Solarzellen – in der Beta- und der Gamma-Phase.

„Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Cäsium-Blei-Iodid in der Beta- und der Gamma-Phase sind unterschiedlich“ erklärt Prof. Vaynzof. „Indem wir Gamma-Cäsium-Blei-Iodid auf der Beta-Phase abscheiden, können wir einen Phasen-Heteroübergang in Solarzellen realisieren, wodurch die Bauteile wesentlich effizienter als jene Solarzellen mit nur einer Phase des Perowskits sind.“ Die Forscher zeigen in ihrer Arbeit, dass die obere Lage aus Gamma Perowskit die Leistungsfähigkeit der Solarzelle auf verschiedene Arten beeinflusst. „Sehr dünne Schichten des Gamma-Perowskits führen bereits zu einer Leistungssteigerung, da diese dünne Schicht Defekte der darunterliegenden Schicht passiviert. Dickere Schichten des Gamma-Perowskits steigern dann jedoch die Leistungsfähigkeit der Solarzelle weiter und erreichen einen Wirkungsgrad von über 20%“ ergänzt Ran Ji, der Erstautor der Studie. „Fortschrittliche spektroskopische Untersuchungen konnten zeigen, dass diese Verbesserung der Leistungsfähigkeit auf die erhöhte Lichtabsorption und eine verbesserte Ausrichtung der elektronischen Energieniveaus zurückzuführen ist.“ fügt Prof. Vaynzof hinzu. Ganz wichtig war dabei, dass die Forscher nachweisen konnten, dass ein solcher Phasen-Heteroübergang auch beim Betrieb der Solarzelle erhalten bleibt und sogar die Ionenwanderung im Absorbermaterial herabsetzt, was ein typisches Problem von Perowskit-Solarzellen löst.

Um einen solchen Phasen-Heteroübergang zu realisieren, nutzten die Wissenschaftler:innen unterschiedliche Herstellungsprozesse für die obere und untere Schicht. Dadurch wird es möglich sein, solche Strukturen auch in Zukunft sehr leicht herzustellen. „Wir hoffen, dass dieses neuartige Konzept und die sehr einfache Herstellung eines solchen Übergangs sich auch auf andere Materialsysteme und Halbleiterbauteile übertragen lässt“ sagt Prof. Vaynzof. Da Polymorphie auch in vielen anderen Halbleitern bekannt ist, könnte dieses neue Konzept des Phasen-Heteroübergangs den Weg zu neuen elektronischen Bauteilen und Anwendungen ebnen, die sich mittels einfacher und kostengünstiger Herstellungsprozesse auf Basis eines einzigen Materialsystems realisieren lassen.

Die Arbeit ist unter dem Titel „Perovskite Phase Heterojunction Solar Cells“ im hochrenommierten Wissenschaftsjournal „Nature Energy“ erschienen
Link: https://www.nature.com/articles/s41560-022-01154-y
DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
Autor:innen: Ran Ji, Zongbao Zhang, Yvonne J. Hofstetter, Robin Buschbeck, Christian Hänisch, Fabian Paulus & Yana Vaynzof

Grafik:

BU: Illustration des Phasen-Heteroübergangs
Autor: ©PIXELWG, Jörg Bandmann

Kontakt für Medienanfragen:

Prof. Dr. Yana Vaynzof
Professur für Neuartige Elektroniktechnologien
Institute for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden
Tel.: +49 351 463-42132
E-Mail: yana.vaynzof@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf, cfaed
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de