Wichtiger Prozess in neuem Typ von Solarzellen verstanden
Diese Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigt den Aufbau der Perowskit-Solarzelle: Auf einem Substrat (Glas und FTO) ist die Trägerstruktur aus hochporösem Titandioxid aufgebracht, in dessen Poren das Perowskit eingelagert ist. Diese Schicht ist mit einer organischen Schicht (HTM) sowie einem Goldkontakt bedeckt.
© EPFL
Zu den großen Durchbrüchen in 2013 hat das Magazin Science Solarzellen auf Perowskit-Basis gezählt: In nur wenigen Jahren hat sich der Wirkungsgrad solcher Zellen von nur drei auf jetzt über 16 Prozent gesteigert. Doch es gibt wesentliche Unterschiede zu konventionellen Solarzellen, insbesondere war bislang noch nicht gut verstanden, wie hier die zentralen Prozesse genau ablaufen: Von der Absorption des Lichts über die Ladungstrennung im Inneren des Materials bis hin zum Ladungstransport entlang der Oberfläche. Diesen letzten Prozess konnten nun drei Teams aus der Ecole polytechnique fédérale in Lausanne (EPFL) und dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe aufklären. Sie untersuchten dafür Solarzellen auf Perowskit-Basis mit unterschiedlichen Architekturen. Ihre Ergebnisse könnten das gezielte Design noch leistungsstärkerer Perowskit-Solarzellen ermöglichen. Die Arbeit wurde am 19. Januar online in Nature photonics veröffentlicht.
Die Teams um Michael Grätzel und Jaques E. Moser am EPFL haben mit der Gruppe um Roel van de Krol am HZB-Institut für Solare Brennstoffe zusammengearbeitet. Mit Zeit-aufgelösten Spektroskopie Methoden wie der ultraschnellen Laserspektroskopie und der Mikrowellenphotoleitfähigkeit konnten sie bestimmen, wie sich Ladungsträger entlang von Perowskit-Oberflächen bewegen und rekombinieren.
Sie untersuchten diese Prozesse mit verschiedenen Zell-Architekturen: Dabei nutzten sie halbleitendes Titan-Dioxid oder isolierende Aluminium-Trioxid-Schichten als poröse Trägerstrukturen. Sie imprägnierten diese porösen Strukturen mit Blei- und Jodhaltigem Perowskit (CH3NH3PbI3) sowie einem organischen Material, das für den Transport von „Löchern“ sorgte.
Mit den zeitaufgelösten Messungen konnten sie zwei Phänomene genau vermessen, die für den Wirkungsgrad der Zelle entscheidend sind: die Ladungstrennung und ihre Rekombination. Die Ladungstrennung wird durch das einfallende Licht im Perowskit ausgelöst. Messungen mit ultraschneller Laserspektroskopie an der EPFL zeigten, dass diese Ladungstrennung extrem rasch abläuft, in weniger als einer Pikosekunde. Die Rekombination von Ladungsträgern ist dagegen ein unerwünschter Vorgang, weil sie den Wirkungsgrad der Solarzelle vermindert. „Dieser Prozess der Rekombination findet in Architekturen mit Titandioxid deutlich langsamer statt als in solchen mit Aluminiumtrioxid. Das haben wir durch die Messung der Mikrowellenphotoleitfähigkeit ermitteln können“, erklärt Dennis Friedrich aus der Gruppe um van de Krol.
Die Ergebnisse zeigen, dass in Perowskit-Solarzellen der Ladungstransfer ultraschnell und effizient stattfinden kann und dass Architekturen, die auf einer Kombination von Titandioxid und Lochleitungsschicht basieren, deutlich besser geeignet sind, um die Rekombination zu unterdrücken.
Mehr Informationen:
Nature photonics 'Unraveling the mechanism of photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells' doi:10.1038/nphoton.2013.374
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.
- Green Deal Ukraїna auf der Ukraine Recovery ConferenceEnde Juni fand in Danzig, Polen, die Ukraine Recovery Conference (UCR2026) statt. Anders als bei den vorherigen Konferenzen wurde erstmals eine dedizierte Energieplattform eingerichtet, gemeinsam organisiert vom ukrainischen Energieministerium und dem polnischen Ministerium für Klima und Umwelt. Diese Energieplattform bündelte Diskussionen, Ankündigungen und Rahmenveranstaltungen und trug so zur besseren Sichtbarkeit und Koordinierung der Energiethemen bei. Green Deal Ukraїna, eine vom HZB koordinierte Initiative, organisierte im Rahmen der Konferenz drei Veranstaltungen zu Forschungs- und Energiethemen.
- Perovskites: the future of PV? - The smarter-E PodcastPerowskite: Das Wettrennen um die Zukunft der Photovoltaik