Was Perowskit-Solarzellen so effizient macht

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist eine zentrale Säule der Energiewende. Photovoltaik kann dabei eine entscheidende Rolle spielen, denn Sonnenenergie lässt sich vielfältig und ohne Umwege nutzen. Erst seit wenigen Jahren fertigen Forscherinnen und Forscher Solarzellen aus gemischt organischen und anorganischen Materialien in Perowskit-Kristallstruktur an. Das enorme Potenzial der Perowskite zeigt sich speziell in Tandem-Solarzellen, die eine semitransparente obere Perowskit-Zelle mit einer unteren Zelle aus Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) kombinieren. Beide zusammen können mehr leisten als einer allein. Dadurch lässt sich das Spektrum des Sonnenlichts optimal ausnutzen.

Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersuchen gemeinsam mit Wissenschaftlern des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) und der Ludwig-Maximilians-Universität München Perowskit-basierte Dünnschicht-Tandem-Solarzellen. Herausgekommen sind neue Erkenntnisse zur physikalischen Natur der optischen Übergänge, über die die Wissenschaftler nun in der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten. Das Forschungsprojekt ist Teil des Verbundprojekts „CISOVSKIT“ (Entwicklung hocheffizienter Hybrid-Solarzellen aus CIGS- und Perowskit-Materialien), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Blei ersetzen und Stabilität erhöhen

Die Forschung steht derzeit vor den Herausforderungen, die langfristige Stabilität der Perowskit-Solarzellen zu erhöhen sowie das in ihnen enthaltene Schwermetall Blei durch umweltverträglichere Elemente zu ersetzen. Dazu bedarf es tieferer Einblicke in die Struktur und Funktion der Perowskit-Schichten. Die optischen Übergänge spielen hierbei eine zentrale Rolle. Optische Übergänge sind Änderungen des Energiezustands von Elektronen in einem Material durch Abgabe (Emission) oder Aufnahme (Absorption) von Lichtteilchen (Photonen).

KIT macht Fortschritte

Bei dem Forschungsprojekt hat Fabian Ruf vom KIT in seiner Doktorarbeit nun gezeigt, dass in Solarzellen mit dem klassischen Absorbermaterial (Methylammonium-Bleijodid) beim grundlegenden optischen Übergang gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) gebildet werden können. Dadurch erhöht sich einerseits die Absorptionsfähigkeit des Materials, jedoch muss bei gebundenen Exzitonen zunächst die Bindungsenergie der Elektron-Loch-Paare überwunden werden, um die Ladungsträger zu trennen und Strom fließen zu lassen.Je nach Kristallstruktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändert, beträgt die Bindungsenergie circa 26 beziehungsweise 19 Millielektronenvolt. „Die Bindungsenergie ist damit klein genug, um bei Raumtemperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungsträger zu ermöglichen“, erklärt der Projektleiter Michael Hetterich vom Lichttechnischen Institut am KIT.

Neue Einblicke in opto-elektronische Eigenschaften

In Perowskiten kommt es durch exzitonische Effekte zu einer verstärkten Absorption. Zusammen mit der effektiven Trennung der Ladungsträger bei Raumtemperatur wird ein effizienter Betrieb der Perowskit-Solarzelle ermöglicht.

Originalpublikation:
Excitonic nature of optical transitions in electroabsorption spectra of perovskite solar cells

Fabian Ruf, Alice Magin, Moritz Schultes, Erik Ahlswede, Heinz Kalt and Michael Hetterich
Appl. Phys. Lett. 112, 083902 (2018);