Perowskit-Solarzellen Effizienter durch Einblick in die Verlustprozesse

Die untersuchte Perowskit-Solarzelle mit einer Grundfläche von 1 cm².
Die untersuchte Perowskit-Solarzelle mit einer Grundfläche von 1 cm².

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter zu optimieren, ist es wichtig, die Verlustprozesse zu kennen. Forscher haben nun herausgefunden, wo genau in Perowskit-Solarzellen die größten Verluste auftreten.

Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad von Solarzellen ist durch die Lage der Energiebänder der Elektronen und durch die nicht vermeidbare Abstrahlung von Photonen begrenzt. Bei Silizium liegt der maximale Wirkungsgrad beispielsweise bei 33 %. Doch selbst dieser Wert wird in Wirklichkeit nicht erreicht.

Denn Defekte unterschiedlicher Art sorgen dafür, dass ein Teil der durch Sonnenlicht freigesetzten Ladungsträger wieder verloren geht. Um möglichst nahe an den Maximalwert heranzukommen, ist es wichtig, die verschiedenen Defekte in Solarzellen zu kennen und zu untersuchen, welche Defekte auf welche Weise zu Verlusten führen.

Als besonders spannende, neue Materialklasse für Solarzellen gelten metallorganische Perowskit-Absorberschichten. Innerhalb von nur zehn Jahren konnten Wissenschaftler ihren Wirkungsgrad von 3 % auf über 20 % erhöhen. Nun ist es einem Forscherteam um Prof. Dr. Dieter Neher von der Universität Potsdam und Dr. Thomas Unold vom Helmholtz-Zentrum Berlin gelungen, die entscheidenden Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen zu identifizieren und damit den Wirkungsgrad dieser Zellen deutlich zu verbessern.

Defekte an Grenzflächen

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. Bislang war unklar, ob solche Defekte bevorzugt im Inneren der Perowskit-Schicht sitzen oder eher an der Grenzfläche zwischen Perowskit- und Transportschicht auftreten.

Um dies herauszufinden, nutzten die Wissenschaftler Photolumineszenz-Messungen mit hoher Präzision und Orts- und Zeitauflösung. Mit Laserlicht regten sie die quadratzentimetergroße Perowskit-Schicht an und erfassten, wo und wann das Material als Antwort auf die Anregung Licht abstrahlte.

»Diese Messung können wir so präzise durchführen, dass sich die Anzahl der ausgestrahlten Photonen genau angeben lässt«, erklärt Unold. Außerdem wurde die Energie der abgestrahlten Photonen mit einer hyperspektralen CCD-Kamera erfasst und analysiert.

»Wir konnten 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. Diese Information lässt sich verwenden, um Perowskit-Solarzellen zu optimieren – etwa durch Zwischenschichten oder durch veränderte Herstellungsmethoden.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen ist es der Forschergruppe um Prof. Dr. Dieter Neher an der Universität Potsdam gelungen, die Grenzflächenrekombination zu verringern. Den Wirkungsgrad der 1 cm² großen Perowskit-Solarzellen konnte die Gruppe damit auf mehr als 20 % erhöhen.

Die Forschungsergebnisse haben die Forscher in Energy Nature veröffentlicht.