Einblick in Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen ermöglicht Verbesserung der Effizienz
Die untersuchte Perowskit-Zelle hat bereits eine Fläche von 1 cm2. © Uni Potsdam
Mit zusätzlichen Beschichtungen zwischen dem Perowskit-Halbleiter und den Loch- und Elektronentransportschichten (rote und blaue Linien) konnte das Team der Uni Potsdam den Wirkungsgrad weiter steigern. © Uni Potsdam
In Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren. Rekombination an Defekten im Inneren der Perowskit-Schicht begrenzt dagegen die Leistungsfähigkeit der Zellen gegenwärtig nicht. Diese interessante Einsicht konnten Teams der Universität Potsdam und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun mit quantitativ äußerst genauen Photolumineszenz-Messungen an 1 cm2 großen Perowskit-Absorberschichten gewinnen. Ihre Ergebnisse tragen zur gezielten Verbesserung von Perowskit-Solarzellen bei und sind nun in Nature Energy publiziert.
Selbst Solarzellen aus einem perfekten Wundermaterial würden niemals hundert Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Denn die theoretisch maximal erreichbare Leistung ist begrenzt durch die Lage der Energiebänder der Elektronen und durch die nicht vermeidbare Abstrahlung von Photonen (thermodynamische oder Shockley-Queisser-Grenze). Bei der Bandlücke von Silizium liegt diese Grenze 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.
Die neuen Stars: Metallorganische Perowskite
Als besonders spannende, neue Materialklasse für Solarzellen gelten metallorganische Perowskit-Absorberschichten – in nur zehn Jahren ließ sich ihr Wirkungsgrad von drei Prozent auf über zwanzig Prozent erhöhen, eine rasante Erfolgsgeschichte. Nun ist es einem Team um Prof. Dr. Dieter Neher, Universität Potsdam und Dr. Thomas Unold, HZB, gelungen, die entscheidenden Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen zu identifizieren und damit den Wirkungsgrad dieser Zellen deutlich zu verbessern.
An bestimmten Defekten oder Fehlstellen im Kristallgitter der Perowskit-Schicht 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 Perowskit-Schicht sitzen oder eher an der Grenzfläche zwischen Perowskit- und Transportschicht, das war bislang unklar.
Verluste im Detail analysiert
Um dies herauszufinden, nutzten die Kooperationspartner die Methode der Photolumineszenz mit hoher Präzision und Orts- und Zeitauflösung. Mit Laserlicht regten sie die quadratzentimetergroße Perowskit-Schicht 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.
„Wir konnten so an jedem Punkt der Zelle die Verluste ausrechnen und dabei feststellen, dass die schädlichsten Defekte sich an den Grenzflächen zwischen der Perowskit-Absorberschicht und den Ladungstransportschichten befinden“, berichtet Unold. Dies ist eine wichtige Information, um Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern, etwa durch Zwischenschichten, die sich günstig auswirken oder durch veränderte Herstellungsmethoden.
Steigerung des Wirkungsgrads gelungen
Mithilfe dieser Erkenntnisse ist es der Gruppe um Prof. Dr. Dieter Neher und Dr. Martin Stolterfoht an der Uni Potsdam gelungen, die Grenzflächenrekombination zu verringern und dadurch den Wirkungsgrad der 1 cm2 Perowskit-Solarzellen auf mehr als 20 % zu erhöhen.
Zur Publikation in Nature Energy (2018):Visualization and suppression of interfacial recombination for high-efficiency large-area pin perovskite solar cells; Martin Stolterfoht, Christian M. Wolff, José A. Márquez, Shanshan Zhang,Charles J. Hages,Daniel Rothhardt, Steve Albrecht, Paul L. Burn, Paul Meredith, Thomas Unold and Dieter Neher
Doi:10.1038/s41560-018-0219-8
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.
- Erfolgreicher Masterabschluss zu IR-Thermografie an SolarfassadenWir freuen uns sehr und gratulieren unserer studentischen Mitarbeiterin Luca Raschke zum erfolgreich abgeschlossenen Masterstudium der Regenerativen Energien an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin – und das mit Auszeichnung!