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
- Berliner Wissenschaftspreis geht an Philipp AdelhelmDer Batterieforscher Prof. Dr. Philipp Adelhelm wird mit dem Berliner Wissenschaftspreis 2024 ausgezeichnet. Er ist Professor am Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und leitet eine gemeinsame Forschungsgruppe der HU und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB). Der Materialwissenschaftler und Elektrochemiker forscht zur Entwicklung nachhaltiger Batterien, die eine Schlüsselrolle für das Gelingen der Energiewende spielen. International zählt er zu den führenden Expert*innen auf dem Gebiet der Natrium-Ionen-Batterien.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.