Eine hundertprozentige Verwertung des Sonnenlichts ist selbst mit dem perfekten Material nicht möglich – doch Verluste und ihre Ursachen aufzudecken hilft dabei, die Effizienz von Solarzellen maßgeblich zu steigern.

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Effizienz von PV-Zellen verbessern Forscherteam entdeckt und bekämpft schädliche Defekte in Solarzellen

06.08.2018

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. Doch selbst dieser Maximalwert wird in Wirklichkeit nicht erreicht. Denn Defekte unterschiedlicher Art sorgen dafür, dass ein Teil der durch Sonnenlicht freigesetzten Ladungsträger wieder verloren geht. Einem Forscherteam ist es nun gelungen, die entscheidenden Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen zu identifizieren und damit den Wirkungsgrad dieser Zellen deutlich zu verbessern.

Um sich dem Maximalwert einer Solarzelle anzunähern, müssen die verschiedenen Defekte in Solarzellen untersucht und ermittelt werden, auf welche Weise sie zu Verlusten führen. In Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren.

Diese Rekombination begrenzt jedoch nicht die Leistungsfähigkeit der Zellen im Inneren der Perowskit-Schicht. 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.

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 auf über zwanzig Prozent erhöhen. Nun ist es einem Team um Professor Dr. Dieter Neher von der Universität Potsdam und Dr. Thomas Unold vom 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, war bislang unklar.

Um dies herauszufinden, nutzten die Kooperationspartner die Methode der Photolumineszenz mit hoher Präzision sowie 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. Auch die Energie der abgestrahlten Photonen wurde mit einer hyperspektralen CCD-Kamera genau erfasst und analysiert.

Steigerung des Wirkungsgrads gelungen

„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 sei eine wichtige Information, um Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern, etwa durch Zwischenschichten, die sich günstig auswirken oder durch veränderte Herstellungsmethoden.

Mit diesen Erkenntnissen konnte die Gruppe um Professor Dr. Dieter Neher und Dr. Martin Stolterfoht an der Uni Potsdam die Grenzflächenrekombination verringern und dadurch den Wirkungsgrad der 1 cm2 Perowskit-Solarzellen auf mehr als 20 Prozent erhöhen.

Bildergalerie

  • Mit zusätzlichen Beschichtungen zwischen dem Perowskit-Halbleiter und den Loch- und Elektrontransportschichten (rote und blaue Linien) konnte der Wirkungsgrad des Materials gesteigert werden.

    Bild: Uni Potsdam

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