Perowskit-Solarzellen: Defekte fangen Ladungsträger ein - und geben sie wieder frei
Fünf verschiedene Arten von Defekten in MAPI-Perowskiten wurden untersucht und charakterisiert. Das Ergebnis: ein großer Teil der Defekte hält die Ladungsträger nicht lange fest.
© HZB
Ein Team am HZB und der Charles Universität in Prag hat untersucht, wie in den so genannten MAPI-Perowskit-Halbleitern Ladungsträger mit unterschiedlichen Defekten wechselwirken. Die Studie zeigt, dass ein großer Teil der Defekte eingefangene Ladungsträger schnell wieder freigibt. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern.
Zu den spannendsten Materialien für Solarzellen gehören die sogenannten MAPI-Halbleiter. Sie bestehen aus organischen Methylammonium-Kationen und Bleijodid-Oktaedern, die eine Perowskitstruktur bilden. MAPI-basierte Solarzellen haben innerhalb weniger Jahre Wirkungsgrade von 25 Prozent erreicht. Bislang altern die halborganischen Halbleiter jedoch noch schnell.
Nun hat ein internationales Team am HZB, CNRS, Frankreich und der Charles Universität Prag, Tschechien, erstmals fünf verschiedene Defekttypen in MAPI-Perowskiten genau charakterisiert und die Wechselwirkung zwischen diesen Defekten und den Ladungsträgern gemessen. Mit einer Kombination aus hochempfindlichen Spektroskopiemethoden gelang es ihnen, Konzentration, Energie, Einfangquerschnitt und Ladungseinfangzeit der verschiedenen Defekte experimentell zu bestimmen und eine Karte der Defekte zu erstellen. Durch die Verwendung von elektrischen Pulsen stellten sie sicher, dass die Messungen die Qualität des Materials nicht beeinträchtigten.
Die Messergebnisse ermöglichen die zuverlässige Unterscheidung zwischen Elektronen- und Löchertransport und die Bestimmung ihrer wichtigsten Parameter: Mobilitäten, Lebensdauern und Diffusionslängen. „Damit gibt diese Arbeit Antworten auf Fragen, die schon lange Zeit im Bereich der Perowskit-Solarzellen diskutiert wurden“, sagt Dr. Artem Musiienko, Erstautor der Publikation und Postdoc am HZB.
Eine wichtige Erkenntnis: Ein großer Teil der Defekte gibt die eingefangenen Ladungsträger nach kurzer Zeit wieder frei. „Das könnte eine Erklärung für die besonders hohen Wirkungsgrade der MAPI-Perowskite sein", sagt Musiienko. Diese Ergebnisse ebnen den Weg, MAPI-Perowskite hinsichtlich der Defektkonzentration zu optimieren, um hohe Wirkungsgrade mit guter Stabilität zu kombinieren.
- 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.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.
- 10 Millionen Euro Förderung für UNITE – Startup Factory Berlin-BrandenburgDie UNITE – Startup Factory Berlin-Brandenburg wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie als eines von zehn bundesweiten Leuchtturmprojekten für wissenschaftsbasierte Gründungen ausgezeichnet. UNITE soll als zentrale Transfer-Plattform für technologiegetriebene Ausgründungen aus der Wissenschaft und Industrie in der Hauptstadtregion etabliert werden. Auch das Helmholtz-Zentrum Berlin wird davon profitieren.