Forscher der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben die wesentlichen Verlustprozesse in Hybrid-Perowskit-Solarzellen identifiziert. Demnach wird die Effizienz dieser Dünnschicht-Solarzellen wesentlich durch die Rekombination von Elektronen und Löchern an den Grenzflächen bestimmt. Die teilweise Unterdrückung dieses Verlustprozesses durch ultradünne Zwischenschichten ermöglichte es den Forschern, die Bauteileffizienz von ein Quadratzentimeter großen Zellen auf Rekordwerte von über 20 Prozent zu steigern. Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis dieser hochkomplexen Zellen bei und sind nun in der Fachzeitschrift Nature Energy publiziert.
In Solarzellen werden Ladungen, also Elektronen und Löcher, durch die Absorption von Photonen erzeugt und dann idealerweise an den entgegengesetzt angebrachten Kontakten gesammelt. Unter idealen Bedingungen können Solarzellen dabei einen Wirkungsgrad von 33 Prozent erreichen. Dass die Effizienz realer Solarzellen noch deutlich unter diesem Idealwert liegt, ist in einer Vielzahl von Verlustprozessen begründet, darunter die Rekombination von Elektronen und Löchern vor dem Erreichen der Kontakte, aber auch die Reflexion von Licht sowie ohmsche Wärmeverluste im Bauteil und in den stromführenden Kontakten.
Die Gruppen unter Leitung von Prof. Dr. Dieter Neher von der Universität Potsdam und Dr. Thomas Unold vom HZB haben nun gemeinsam die Verlustprozesse in Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis hybrider Perowskite untersucht. Dünnschicht-Solarzellen versprechen eine effiziente Nutzung der Solarenergie bei gleichzeitig kleinem Resourceneinsatz. Metallorganische Perowskite sind für diese Anwendung besonders gut geeignet, da sie hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und außergewöhnliche Absorptions- und Emissionseigenschaften aufweisen. „Die Qualität des Perowskit-Halbleiters ist dabei vergleichbar mit hochreinem Silizium und Galliumarsenid, und das trotz der extrem einfachen Herstellung der photoaktiven Schicht aus Lösung“, erklärt der Physiker Dieter Neher. „Daher werden Perowskite weltweit für effiziente opto-elektronische Anwendungen wie Solarzellen oder Leuchtdioden untersucht.“
Gegenstand der Untersuchungen waren hybride Solarzellen, in denen der photoaktive Perowskit zwischen zwei nur wenige Nanometer dicken Schichten aus organischen Halbleitern eingebettet ist. Die organischen Schichten stellen dabei sicher, dass Elektronen und Löcher selektiv zur Kathode und Anode transportiert werden. Aufgrund der niedrigen Temperaturen bei der Herstellung der Zellen kann diese Zellarchitektur sehr gut mit klassischen Silizium-Solarzellen zu hocheffizienten Tandemzellen kombiniert werden – ein zentrales Ziel der durch die Universität und das HZB gegründeten Graduiertenschule HyPerCells. Voraussetzung für den Einsatz dieser Hybridzellen ist jedoch die weitere Verbesserung des Wirkungsgrades. Die Forscher haben daher verschiedene Methoden kombiniert, um die Verlustprozesse in diesen Zellen präzise zu lokalisieren. Dabei machten sie sich die Tatsache zunutze, dass Solarzellen nicht nur Licht in Strom umwandeln können, sondern auch selbst Licht emittieren. Je besser dieser Lichtemission funktioniert, um so kleiner sind schädliche Rekombinationsverluste. Um die Verlustkanäle in den hybriden Dünnschichtzellen zu identifizieren, haben die beiden Teams mittels hochempfindlicher Apparaturen den zeitlichen Verlauf und die Effizienz der Lichtabstrahlung verschiedenen Multischichtarchitekturen vermessen. Sie konnten dabei zeigen, dass der Wirkungsgrad im Wesentlichen durch die nichtstrahlende Rekombination von Elektronen und Löchern an den Grenzflächen zwischen dem Perowskiten und den organischen Schichten bestimmt wird.
Dies war eine entscheidende Information, um die Solarzellen weiter zu verbessern. Dazu wurden ultradünne Schichten (Interlayer) zwischen den Perowskiten und den organischen Halbleitern eingeführt. Das Ergebnis war selbst für die Forscher überraschend. „Diese nur etwa ein bis zwei Nanometer dicken Interlayer bewirkten eine deutliche Unterdrückung der unerwünschten Rekombination“, so Professor Neher. „Wir vermuten, dass die Interlayer Tunnelbarrieren darstellen und damit die Geschwindigkeit, mit denen Elektronen und Löcher an den Grenzflächen rekombinieren, verringern.“ Durch die Optimierung der Multischichtstruktur gelang es letztendlich, ein Quadratzentimeter große Perowskit-Dünnschichtzellen mit Rekordeffizienzen von über 20 Prozent herzustellen.
Zur Publikation in Nature Energy (2018): Visualization and suppression of interfacial recombination for high-efficiency large-area pin perovskite solar cells; Martin Stolterfoht, Christian M. Wolff, José A. Márquez, Shanshan Zhang, Charles J. Hages, Daniel Rothhardt, Steve Albrecht, Paul L. Burn, Paul Meredith, Thomas Unold and Dieter Neher (Doi: 10.1038/s41560-018-0219-8)
Text: Dieter Neher, Martin Stolterfoht, Christian Wolff, Thomas Unold
Online gestellt: Jana Scholz
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