Neues aus der Photovoltaik-Forschung Solarzellen mit Nanostreifen

Am KIT wurden die Perowskit-Solarzellen mittels der Piezoresponse Force Microscopy vermessen.
Am KIT wurden die Perowskit-Solarzellen mittels der Piezoresponse Force Microscopy vermessen.

Perowskit-Solarzellen erreichen mittlerweile hohe Wirkungsgrade. Nun konnten in den Perowskit-Schichten streifenförmige Nanostrukturen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern nachgewiesen werden, die als Transportpfade für Ladungen dienen könnten.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 konnten Perowskit-Solarzellen deutlich weiterentwickelt werden. Inzwischen wandeln sie mehr als 20 % des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um und sind damit eine der aussichtsreichsten Photovoltaik-Technologien.

Am KIT arbeiten Wissenschaftler mit Perowskiten aus metallorganischen Verbindungen mit einer speziellen Kristallstruktur und vielversprechenden photovoltaischen Eigenschaften.  Die Forschung steht derzeit noch vor zwei Herausforderungen. Die lichtabsorbierenden Schichten müssen robuster gegen Umwelteinflüsse gemacht und das darin enthaltene Schwermetall Blei durch umweltfreundlichere Elemente ersetzt werden. Dazu sind allerdings tiefere Einblicke in die physikalischen Mechanismen nötig, die es ermöglichen, dass Perowskite einen so hohen Anteil der absorbierten Solarenergie in elektrische Energie umwandeln.

Ein multidisziplinäres Team von KIT-Forschern um Dr. Alexander Colsmann, Leiter der Arbeitsgruppe Organische Photovoltaik am Lichttechnischen Institut und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme, hat Perowskit-Solarzellen mithilfe der Piezoresponse Force Microscopy vermessen. Bei der Untersuchung mit dieser besonderen Rasterkraft-Mikroskopietechnik konnten in den lichtabsorbierenden Schichten ferroelektrische Nanostrukturen nachgewiesen werden.

Domänenbildung

Die ferroelektrischen Kristalle bilden Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung, sogenannte Domänen. Die untersuchten Bleihalogenid-Perowskite bilden rund 100 nm breite streifenförmige Domänen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern. Diese alternierende elektrische Polarisation im Material könnte eine entscheidende Rolle beim Transport der photo-generierten Ladungen aus der Solarzelle heraus spielen und damit die besonderen Eigenschaften der Perowskite in der Photovoltaik erklären.

Die ferroelektrischen Strukturen könnten nach Ansicht der Forscher am KIT nahezu perfekt getrennte Transportpfade für Ladungen in der Solarzelle darstellen. Nach solchen Strukturen suchen Forscher schon seit Jahren – in der Absicht, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. In Perowskit-Solarzellen entstehen derartige Strukturen unter gewissen Bedingungen anscheinend von selbst.

Die Wissenschaftler des KIT untersuchten die Ferroelektrizität von Bleihalogenid-Perowskiten im Rahmen des von der Baden-Württemberg-Stiftung finanzierten Projekts „NanoSolar“. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift Energy & Environmental Science. Theoretische Arbeiten anderer Forscher hatten solche Nanostrukturen bereits zuvor vorhergesagt.