Kontaktloses Laserpolieren und Rekonstruktion für hocheffiziente All‑Perowskit‑Tandemsolarzellen

Solarmodule effizienter machen

Solarmodule werden immer günstiger und häufiger, doch die heute gebräuchlichen Designs verschwenden einen großen Teil der Sonnenenergie als Wärme. Eine der vielversprechendsten Methoden, mehr Strom aus Sonnenlicht herauszuholen, ist das Stapeln von zwei Solarzellen übereinander, die jeweils auf unterschiedliche Spektralbereiche abgestimmt sind. Diese Studie zeigt, wie eine neue Art der „kontaktfreien Politur“ mit Laserlicht eine Schlüssel‑Schwäche solcher gestapelten Perowskit‑Zellen beheben kann und ihre Effizienz nahe 30 % bringt — ein Niveau, das für zukünftige Dach-, Versorgungs‑ und sogar tragbare Anwendungen attraktiv ist.

Warum gestapelte Perowskit‑Zellen Probleme haben

Perowskite sind kristallähnliche Materialien, die Sonnenlicht sehr effizient absorbieren und sich leicht aus Lösungen herstellen lassen. Um die Effizienzgrenzen einzelner Zellen zu überwinden, stapeln Forscher ein Perowskit mit großer Bandlücke oben auf ein Perowskit mit kleiner Bandlücke und bilden so ein reines Perowskit‑Tandem. Die untere, kleinbandige Zelle muss das durch die obere Zelle hindurchgehende rote und nahe‑infrarote Licht einfangen, und ihre Leistung legt weitgehend die Obergrenze des Tandems fest. Leider bilden sich bleizinnhaltige, kleinbandige Filme meist mit rauen, defekt‑reichen Oberflächen. Zinn neigt dazu, sich an der Oberfläche anzureichern und zu oxidieren, Iod wird mangelhaft, und die unebene Oberfläche sorgt für schlechten Kontakt mit der elektronenziehenden Schicht. Zusammen führen diese Probleme dazu, dass Ladungsträger rekombinieren, bevor sie nutzbar gemacht werden können, wodurch Spannung und Strom verloren gehen.

Glätten mit Licht statt Sandpapier

Konventionelle Methoden zur Nachbearbeitung von Perowskit‑Oberflächen basieren auf flüssigen Chemikalien oder physischem Kontakt, die beide die empfindlichen Filme schädigen können und sich schwer großflächig kontrollieren lassen. In dieser Arbeit entwickelten die Autoren eine pikosekunden‑Ultraviolett‑Laserpolitur, die den Film niemals berührt. Ultrakurze Laserpulse entfernen nur die defekten obersten einige zehn Nanometer, glätten die Oberfläche und minimieren gleichzeitig die Erwärmung des darunterliegenden Kristalls. Die Mikroskopie zeigt, dass die mittlere Rauheit um etwa den Faktor drei sinkt, und chemische Messungen belegen, dass überschüssiges Zinn und fehlendes Iod an der Oberfläche weitgehend entfernt werden. Die Poliertiefe lässt sich über Laserleistung und Scan‑Geschwindigkeit einstellen, und das Team demonstriert subnanometergenaue Kontrolle sowie sehr gute Reproduzierbarkeit über viele Chargen hinweg.

Wiederaufbau einer gesünderen Oberflächenschicht

Laserpolitur macht mehr, als nur Unebenheiten abzutragen; sie hinterlässt eine Perowskit‑Oberfläche mit vielen leeren „A‑Stellen“ im Kristallgerüst — Plätze, an denen normalerweise große organische Ionen oder Cäsiumionen sitzen. Die Forscher behandelten diese frisch freigelegte Oberfläche mit einer Lösung, die Guanidiniumbromid enthält; die großen Guanidinium‑Ionen können starke Wasserstoffbrücken ausbilden und tendieren dazu, die Ionendynamik zu verlangsamen. Diese Ionen füllen selektiv die vakuolen Stellen nahe der Oberfläche und rekonstruieren sie zu einer Guanidinium‑Cäsium‑Perowskit‑Schicht, die geordneter und weniger verspannt ist als zuvor. Röntgen‑ und Elektronenmikroskopie zeigen, dass Verzerrungen im Kristallgitter verschwinden und die obersten Nanometer leicht aufquellen, was mit der größeren Größe des Guanidiniums übereinstimmt. Optische Tests zeigen hellere Photolumineszenz und längere Ladungsträgerlebensdauern — Hinweise auf weniger Defekte und gleichmäßigere Filmqualität über große Flächen.

Sauberere Oberflächen in höhere Effizienz verwandeln

Wenn das Team komplette Geräte herstellt, verstärken sich die Vorteile. Einzelne kleinbandige Zellen mit den polierten und rekonstruierten Oberflächen zeigen höhere Spannung, Strom und Füllfaktor als unbehandelte Kontrollen und weisen zudem deutlich weniger Hysterese auf — ein Indiz dafür, dass mobile Ionen und instabile Schnittstellen gezähmt wurden. Die beste Blei‑Zinn‑Zelle erreicht einen Wirkungsgrad von 24,07 %, mit einer unabhängig zertifizierten Bestätigung von 23,47 %, wobei ein skalierbarer Prozess ohne Antisolvent‑Quenching zum Einsatz kommt. Das Stapeln dieser verbesserten unteren Zelle unter einem großbandigen oberen Perowskit ergibt ein All‑Perowskit‑Tandem mit 29,80 % Effizienz und guter Übereinstimmung zwischen gemessenem Strom und spektral aufgelöster Antwort. Größere Geräte und Mini‑Module, die mit demselben Ansatz gefertigt wurden, behalten hohe Wirkungsgrade, und kapsulierte Tandems behalten nach etwa 650 Stunden Dauerbetrieb noch etwa 80 % ihrer Anfangsleistung.

Was das für die zukünftige Solarenergie bedeutet

Indem ein kontaktloser Laser gezielt defektes Material entfernt und die obersten Nanometer anschließend mit einer robusteren Perowskit‑Zusammensetzung wiederaufgebaut werden, adressiert diese Arbeit eines der Haupt‑Flaschenhälse bei fortgeschrittenen Perowskit‑Tandems: eine raue, instabile Schnittstelle, die Ladung verschwendet. Das Ergebnis sind glattere Filme, sauberere Ladungsgewinnung, reduzierte Ionenbeweglichkeit und Rekordwirkungsgrade für antisolvent‑freie All‑Perowskit‑Tandems. Da die Methode anpassbar, schnell und kompatibel mit verschiedenen Bandlücken und Gerätearchitekturen ist, bietet sie ein breit einsetzbares Werkzeug, um Perowskit‑Solartechnologie näher an ihre theoretischen Grenzen und in die praktische Anwendung zu bringen.

Zitation: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Schlüsselwörter: Perowskit‑Tandemsolarzellen, Laseroberflächenpolitur, Schnittstellen‑Engineering, hocheffiziente Photovoltaik, Dünnschichtsolartechnik