Entwicklung von Zn1−xSnxO- und Mg1−xSnxO-durchsichtigen, leitfähigen Oxid-Dünnschichten für Perowskit-Solarzellen

Warum durchsichtige Elektroden für Solarenergie wichtig sind

Moderne Solarzellen wandeln nicht nur Sonnenlicht in Strom um; sie nutzen auch ausgeklügelte Materialien, die Licht durchlassen und gleichzeitig elektrischen Strom transportieren. Diese Studie untersucht zwei solche durchsichtigen, stromleitenden Beschichtungen aus häufig vorkommenden Elementen, mit dem Ziel, den heute teuren Industriestandard zu ersetzen und bleifreie Perowskit-Solarzellen sicherer zu unterstützen.

Neue transparente Beschichtungen aus alltäglichen Metallen

Die Forscher konzentrierten sich auf transparente leitfähige Oxide, die glasartige Frontschicht, die sowohl Licht einlässt als auch Ladung in vielen Geräten, von Smartphone-Displays bis zu Solarzellen, sammelt. Statt der üblichen indiumbasierten Materialien, die teuer und knapp sind, entwickelten sie zwei Alternativen, indem sie Zinnoxid entweder mit Zink oder Magnesium kombinierten. Diese neuen Schichten, ZTO und MTO genannt, wurden mit einer einfachen Sprühtechnik hergestellt, die große Glasflächen ohne komplexe Vakuumausrüstung beschichten kann.

Sprühen, Erhitzen und Abstimmen der Filme

Zur Herstellung der Beschichtungen löste das Team Metallsalze in Alkohol, sprühte den Nebel auf beheiztes Glas und backte die Filme anschließend bei hohen Temperaturen. Durch sorgfältiges Variieren des Mischungsverhältnisses von Zink bzw. Magnesium zu Zinn und anschließendes Glühen konnten sie Dicke, Kristallstruktur und interne Defekte steuern. Röntgenmessungen zeigten, dass das Erhitzen die Ordnung der Atome verbesserte und Unvollkommenheiten verringerte, während die Elektronenmikroskopie regelmäßigere Körner und eine glattere Deckung nach der Wärmebehandlung offenbarte — beides fördert den Ladungstransport.

Ausbalancieren von Transparenz und Leitfähigkeit

Eine gute Frontschicht für eine Solarzelle muss sowohl sehr transparent als auch sehr leitfähig sein, zwei Eigenschaften, die oft in Konflikt stehen. Optische Tests zeigten, dass sowohl ZTO- als auch MTO-Filme etwa 76–80 Prozent des sichtbaren Lichts durchlassen, selbst nachdem sie ausreichend gedickt wurden, um Strom gut zu leiten. Gleichzeitig bestätigten elektrische Messungen, dass die Filme negative Ladungen effizient transportierten; die besten magnesiumbasierten Filme erreichten sehr hohe Ladungsträgerkonzentrationen und niedrigen elektrischen Widerstand. Der Heizschritt verengte die optischen Bandlücken der Filme leicht und reduzierte unerwünschte chemische Gruppen — Veränderungen, die mit verbessertem Ladungstransport einhergehen, ohne allzu viel Transparenz zu opfern.

Einbau der neuen Schichten in reale Solarzellen

Um zu prüfen, wie sich diese Beschichtungen in der Praxis verhalten, bauten die Forscher einfache Perowskit-Solarzellen mit einem bleifreien Caesium-Zinn-Chlorid-Absorber und einem kostengünstigen Graphitrückkontakt. Dieses Design wurde nicht gewählt, um Effizienzrekorde zu brechen, sondern um klar hervorzuheben, wie die Frontbeschichtungen die Leistung beeinflussen. Ersetzte man herkömmliche transparente Elektroden durch die neuen ZTO- und MTO-Schichten, erzeugten die resultierenden Geräte unter Standardbeleuchtung messbare Leistung. Zellen mit ZTO erreichten Wirkungsgrade von etwa 3,5 Prozent, jene mit MTO etwa 6,4 Prozent, bedingt durch stärkeren Strom und leicht höhere Spannungen.

Was das für die Solartechnik der Zukunft bedeutet

Die Studie zeigt, dass durchsichtige, leitfähige Beschichtungen aus Zinn und Magnesium die optische Klarheit heutiger Standardmaterialien erreichen können und gleichzeitig starke elektrische Eigenschaften sowie die Nutzung häufigerer Elemente bieten. Von den beiden getesteten Optionen schnitten die magnesiumbasierten Filme in funktionierenden Perowskit-Solarzellen besser ab, hauptsächlich weil sie den Strom effizienter leiteten und dennoch viel Licht durchließen. Zwar sind diese Geräte noch nicht für Dächer oder Kraftwerke bereit, doch die Ergebnisse deuten auf einen vielversprechenden Weg zu günstigeren, indiumfreien und potenziell sichereren Solarmodulen hin, die auf skalierbare Sprühbeschichtungsverfahren setzen.

Zitation: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

Schlüsselwörter: transparente leitfähige Oxide, Perowskit-Solarzellen, Sprühpyrolyse, Zinnoxid-Dünnschichten, indiumfreie Elektroden