Breaking the 800 mV open-circuit voltage barrier in antimony sulfide photovoltaics

Solarzellen sind die Arbeitspferde der Energiewende, die Sonnenlicht einfangen und es in Elektrizität umwandeln. Seit Jahrzehnten verlassen sich die effizientesten Paneele auf Silizium, doch Wissenschaftler suchen ständig nach neuen Materialien, die günstiger herzustellen, weniger toxisch und auf flexiblen Oberflächen druckbar sind. Unter den vielversprechendsten Kandidaten sind Verbindungen aus Antimon und Schwefel, bekannt als Antimonsulfid. Diese Materialien sind reichlich vorhanden, ungiftig und absorbieren Licht außergewöhnlich gut. Trotz ihres Potenzials sind sie jedoch an eine frustrierende Wand gestoßen. Jahrelang konnten die besten Solarzellen aus diesem Material keinen elektrischen Druck, bekannt als Spannung, von mehr als etwa 800 Millivolt erzeugen. Diese Obergrenze hat ihre Effizienz gebremst und sie weit unter ihr theoretisches Potenzial zurückgelassen, wodurch sie weniger wettbewerbsfähig gegenüber etablierten Technologien waren.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft debattierte lange darüber, warum diese Spannungsgrenze existiert. Eine vorherrschende Theorie besagte, dass das Material selbst grundlegend fehlerhaft sei. Es wurde vorgeschlagen, dass die Energie, wenn Licht auf das Antimonsulfid trifft, in einer Weise innerhalb der Kristallstruktur gefangen wird, die sie verschwendet, bevor sie in Elektrizität umgewandelt werden kann. Diese Idee, genannt Selbsttrapping (Self-Trapping), implizierte, dass das Material, egal wie perfekt es hergestellt würde, die Spannung von 800 Millivolt niemals überschreiten könnte, da der Verlust in der Physik der Atome fest eingebaut sei. Sollte dies wahr sein, wäre der Weg nach vorn, das Material aufzugeben oder seine Einschränkungen zu akzeptieren. Eine konkurrierende Sichtweise hingegen deutete darauf an, dass das Problem nicht das Material selbst war, sondern die Unvollkommenheiten in der Herstellung der Schichten. Wenn der Spannungsverlust durch Defekte verursacht wurde – winzige Fehler in der Kristallstruktur –, dann könnte sorgfältiges Engineering dazu in der Lage sein, dies zu beheben und die Leistung zu steigen.

Ein Forscherteam hat diese Debatte nun gelöst, indem es die Barriere durchbrochen hat. Es gelang ihnen, Antimonsulfid-Solarzellen zu erzeugen, die eine Spannung von 824 Millivolt generieren, womit sie die langjährige Grenze überschritten und einen neuen Rekord für diese Art von Technologie aufgestellt haben. Ihre Arbeit zeigt, dass das Material nicht grundlegend defekt ist; vielmehr wurde seine Leistung durch die Art und Weise, wie es gewachsen ist, zurückgehalten. Durch die Änderung des chemischen Rezepts zur Abscheidung der dünnen Schichten reduzierten die Wissenschaftler die Anzahl der Defekte und Korngrenzen – im Wesentlichen die Nähte, an denen winzige Kristalle aufeinandertreffen – innerhalb des Materials. Diese Reduzierung der Unvollkommenheiten ermöglichte es den Solarzellen, viel näher an ihrem theoretischen Maximum zu arbeiten, was bewies, dass die Spannungsdeckel eine technische Herausforderung und kein physikalisches Gesetz war.

Der Durchbruch gelang durch eine Technik namens chemische Badabscheidung (Chemical Bath Deposition), eine Methode, bei der ein Substrat in eine Lösung getaucht wird, um eine dünne Schicht des gewünschten Materials wachsen zu lassen. Die Forscher fügten der Lösung eine spezifische Zutat hinzu, eine Verbindung namens Citrat. Dieses Additiv wirkte als Regulator, der die Reaktion verlangsamte und die Art und Weise änderte, wie die Kristalle entstanden. Ohne dieses Additiv wuchsen die Kristalle chaotisch und bildeten viele kleine Körner mit zahlreichen Grenzen zwischen ihnen. Diese Grenzen sind problematisch, da sie als Fallen fungieren, in denen Elektronen und Löcher – die Ladungsträger, die Elektrizität erzeugen – stecken bleiben und ihre Energie als Wärme verlieren können. Durch die Einführung von Citrat ermutigten die Forscher die Kristalle dazu, größer und geordneter zu wachsen, was die interne Landschaft der Schicht effektiv glättete.

Die Ergebnisse dieser Änderung waren dramatisch. Die Dichte dieser Korngrenzen wurde fast halbiert, von über 1.100 pro Quadratmillimeter in den Standardfilmen auf etwa 585 in den verbesserten Filmen. Diese strukturelle Verbesserung hatte eine direkte Auswirkung auf die elektrische Leistung. Die Forscher nutzten eine sensitive Technik namens Tiefen-Transienten-Spektroskopie (Deep-Level Transient Spectroscopy), um in die Bauteile hineinzuschauen und die spezifischen Arten von Defekten zu identifizieren, die den Spannungsverlust verursachten. Sie fanden zwei Haupttypen von tiefen Fallen (Deep Traps), also Energiezustände, die Ladungsträger einfangen und daran hindern, zum Strom beizutragen. Durch detaillierte Computersimulationen bestimmten sie, dass diese Fallen wahrscheinlich durch fehlende Schwefelatome oder an der falschen Stelle sitzende Antimonatome innerhalb des Kristallgitters verursacht wurden.

Durch die Reduzierung der Anzahl dieser Defekte zeigten die neuen Solarzellen eine signifikante Verbesserung darin, wie sie mit Ladung umgingen. Die Spannung stieg stetig an, während das Konzentrationsverhältnis des Citrat-Additivs optimiert wurde, und erreichte einen Spitzenwert von 824 Millivolt. Dieser Wert ist nicht nur ein kleiner Zuwachs; er ist ein definitiver Durchbruch der 800-Millivolt-Barriere, die als unbrechbar galt. Die Forscher bestätigten auch, dass das Material selbst nicht unter dem Selbsttrapping-Effekt litt, den einige befürchtet hatten. Wäre Selbsttrapping der primäre Verursacher gewesen, hätte die Spannung unabhängig davon, wie perfekt der Film hergestellt wurde, gedeckelt geblieben. Die Tatsache, dass sie die Spannung erhöhen konnten, indem sie einfach die Defekte bereinigten, beweist, dass das Material zu einer viel höheren Leistung fähig ist.

Die Implikationen dieser Erkenntnis gehen über eine einzelne Zahl hinaus. Die Studie liefert eine klare Roadmap für die Verbesserung von Antimonsulfid-Solarzellen. Sie zeigt, dass der Weg zu höherer Effizienz in der Defekt-Technik (Defect Engineering) liegt – der sorgfältigen Kontrolle des Wachstumsprozesses, um Unvollkommenheiten zu minimieren. Die neuen Zellen behielten zudem eine exzellente Stabilität bei und behielten den Großteil ihrer Effizienz nach einem Monat Lagerung unter normalen Bedingungen, was eine entscheidende Voraussetzung für praktische Anwendungen ist. Darüber hinaus testeten die Forscher die Zellen unter Innenbeleuchtungsbedingungen, wobei sie eine Effizienz von fast 19 Prozent erreichten, was sie zu einem starken Kandidaten für die Stromversorgung der wachsenden Zahl von Low-Power-Elektronikgeräten macht, die mit Innenlicht betrieben werden.

Diese Arbeit löst eine langjährige Ungewissheit im Bereich der Photovoltaik. Sie verschiebt die Diskussion weg von der Vorstellung, dass Antimonsulfid einen intrinsischen, unheilbaren Fehler besitzt. Stattdessen bestätigt sie, dass die Einschränkungen auf den Herstellungsprozess zurückzuführen waren. Indem sie demonstrierten, dass die Spannung durch die Reduzierung von Defekten erhöht werden kann, haben die Forscher die Tür für weitere Optimierungen geöffnet. Der Weg nach vorn ist nun klar: Die Wachstumsmethoden weiter zu verfeinern, um Defekte weiter zu reduzieren, wird die Effizienz dieser Solarzellen weiter in Richtung ihrer theoretischen Grenzen steigen lassen. Die Barriere war keine Mauer der Physik, sondern eine Hürde der Chemie, und sie wurde überwunden.