Einblick in Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen ermöglicht Verbesserung der Effizienz

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