Forschung & Entwicklung

Einblick in Verlustprozesse in Perowskitsolarzellen

Fotolumineszenzmessungen mit hoher Orts- und Zeitaufllösung zeigen, dass in Perowskitsolarzellen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Grenzflächendefekten und nicht im Inneren verloren gehen. Diese Ergebnisse tragen zur gezielten Verbesserung von Perowskitsolarzellen bei.

Die theoretisch maximal erreichbare Leistung von Solarzellen ist begrenzt durch die Lage der Energiebändern der Elektronen, durch die nicht vermeidbare Abstrahlung von Photonen (thermodynamische oder Shockley-Queisser-Grenze) und liegt zum Beispiel bei der Bandlücke von Silizium bei 33 Prozent. Doch selbst dieser Wert wird in Wirklichkeit nicht erreicht. Denn Defekte unterschiedlicher Art sorgen dafür, dass ein Teil der durch Sonnenlicht freigesetzten Ladungsträger wieder verloren geht. Um sich dem Maximalwert anzunähern, gilt es daher die verschiedenen Defekte in Solarzellen zu untersuchen und zu ermitteln, welche Defekte auf welche Weise zu Verlusten führen.

Als vielversprechende Materialklasse für Solarzellen gelten metallorganische Perowskitabsorberschichten – in nur zehn Jahren ließ sich ihr Wirkungsgrad von drei Prozent auf über zwanzig Prozent erhöhen. Nun ist es einem Team um Professor Dieter Neher von der Universität Potsdam und Dr. Thomas Unold vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) gelungen, die entscheidenden Verlustprozesse in Perowskitsolarzellen zu identifizieren und damit den Wirkungsgrad dieser Zellen deutlich zu verbessern.

An bestimmten Defekten oder Fehlstellen im Kristallgitter der Perowskitschicht können Ladungsträger, also Elektronen oder ‚Löcher‘, die gerade durch Sonnenlicht freigesetzt wurden, wieder rekombinieren und so verlorengehen. Ob diese Defekte aber bevorzugt im Inneren der Perowskitschicht sitzen oder eher an der Grenzfläche zwischen Perowskit- und Transportschicht war bislang unklar.

Um dies herauszufinden, nutzten die Wissenschaftler die Methode der Fotolumineszenz mit hoher Präzision und Orts- und Zeitauflösung. Mit Laserlicht regten sie eine quadratzentimetergroße Perowskitschicht an und erfassten, wo und wann das Material als Antwort auf die Anregung wiederum Licht abstrahlte. „Diese Messmethode ist bei uns so präzise, dass wir die Anzahl der ausgestrahlten Photonen genau angeben können“, erklärt Unold. Und nicht nur das, auch die Energie der abgestrahlten Photonen wurde mit einer hyperspektralen CCD-Kamera genau erfasst und analysiert.

So konnten die Forscher an jedem Punkt der Zelle die Verluste ausrechnen und dabei feststellen, dass die schädlichsten Defekte sich an den Grenzflächen zwischen der Perowskitabsorberschicht und den Ladungstransportschichten befinden. Dies ist eine wichtige Information, um Perowskitsolarzellen weiter zu verbessern, etwa durch Zwischenschichten, die sich günstig auswirken oder durch veränderte Herstellungsmethoden.

Mithilfe dieser Erkenntnisse ist es der Gruppe um Professor Dieter Neher und Dr. Martin Stolterfoht an der Uni Potsdam gelungen, die Grenzflächenrekombination zu verringern und dadurch den Wirkungsgrad der 1 cm2 Perowskitsolarzellen auf mehr als 20 % zu erhöhen.

Originalveröffentlichung:

[M. Stolterfoht et al., Visualization and suppression of interfacial recombination for high-efficiency large-area pin perovskite solar cells, Nat. Energy (2018), DOI: 10.1038/s41560-018-0219-8]

von mn

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