Prognose des Wirkungsgrads von Solarzellen mit Terahertz- und Mikrowellenspektroskopie
Im Femtosekunden-Laserlabor von Dr. Dennis Friedrich (HZB) kann der Ladungstransport in Halbleitern mit Teraherz- und Mikrowellen Spektroskopie untersucht werden. Dafür generieren Laserpulse zuerst Ladungsträger im Material, welche dann proportional zu ihrer Mobilität langwellige Strahlung (Terahertz oder Mikrowellen) absorbieren. © HZB
Viele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungseinrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebensdauer der Ladungsträger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungsgrad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.
Zu den wichtigsten Materialeigenschaften eines Halbleiters, der als Solarzelle verwendet werden soll, zählen Mobilität und Lebensdauer von Elektronen und „Löchern“. Beide Größen lassen sich kontaktlos mit Hilfe von spektroskopischen Methoden mit Terahertz- bzw- Mikrowellenstrahlung messen. Allerdings unterscheiden sich die Messdaten aus der Literatur oft um Größenordnungen, so dass es schwierig war, daraus zuverlässige Berechnungen abzuleiten.
Referenzproben gemessen
„Diesen Unterschieden wollten wir auf den Grund gehen“, sagt Dr. Hannes Hempel aus dem HZB-Team um Dr. Thomas Unold. Dafür haben die HZB-Physiker Fachleute aus insgesamt 15 internationalen Laboren eingebunden und gemeinsam mit ihnen typische Fehlerquellen und Probleme der Messungen analysiert. Jedes Labor erhielt Referenzproben mit der auf Stabilität optimierten Perowskit-Halbleiterverbindung (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3). Die Proben wurden von Dr. Martin Stolterfoht an der Universität Potsdam produziert.
Präzise Daten für die Prognose
Ein Ergebnis der gemeinsamen Arbeit ist die deutlich präzisere Ermittlung der Transporteigenschaften mit Terahertz- bzw Mikrowellenspektroskopie „Wir wissen nun, worauf wir im Vorfeld der Messungen achten müssen und kommen so zu deutlich besser übereinstimmenden Werten“, betont Hempel.
Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich mit diesen zuverlässigen Messdaten und einer weiter-entwickelten Analyse auch die Kennlinien der Solarzelle präziser berechnen lassen. „Wir glauben, dass diese Analyse für die Photovoltaik-Forschung von großem Interesse ist, weil sie den maximal möglichen Wirkungsgrad des Materials in einer Solarzelle vorhersagt und den Einfluss verschiedener Verlustmechanismen, wie Transportbarrieren, offenlegt“, sagt Unold. Dies gilt nicht nur für die Materialklasse der Perowskit-Halbleiter, sondern auch für andere neue halbleitende Materialien, die sich so rasch auf ihre mögliche Eignung überprüfen lassen.
- 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.