Exzi­to­nen in Pe­rows­kit-Solar­zel­len

Solarzellen mit Wirkungs­graden mehr als zwanzig Prozent bei kosten­günstiger Herstellung – die Material­klasse der Perowskite machen es möglich. Nun haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie KIT grund­legende Einblicke in die Funktion von Perowskit-Solar­zellen gewonnen. Sie zeigten, dass bei der Absorption von Licht gebundene Elektron-Loch-Paare entstehen können. Diese lassen sich jedoch leicht genug trennen, sodass Strom fließen kann. Außerdem verstärken sie die Absorption.

Perowskit-Solarzellen wandeln einen hohen Anteil des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um. (Bild: F. Ruf / Scilight)

„Diese Perowskite haben in weniger als einem Jahrzehnt eine bemerkens­werte Entwicklung durchlaufen. Inzwischen wandeln sie in Solar­zellen über zwanzig Prozent des einfal­lenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um“, berichtet der Photo­voltaik-Experte Michael Hetterich, der die gemeinsamen Aktivitäten des KIT mit dem Zentrum für Sonnen­energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) koor­diniert. Heute steht die Forschung 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. Dazu unter­suchten die Forscher die Funktion von auf Perows­kiten basierenden Dünnschicht-Tandem-Solar­zellen. Dabei haben sie neue Erkennt­nisse zur physi­kalischen Natur der optischen Übergänge gewonnen.

Wie Fabian Ruf in seiner Doktor­arbeit in der Arbeits­gruppe von Heinz Kalt gezeigt hat, ist in Solarzellen mit dem Absorber­material Methyl­ammonium-Bleijodid, dem klassischen Halid-Perowskit, der grund­legende optische Übergang exzitonischer Natur. In den Solar­zellen können also nach der Absorption von Licht­teilchen Exzitonen entstehen. Diese gebun­denen Elektron-Loch-Paare bestimmen wesentlich die opto-elek­tronischen Eigen­schaften. Dabei muss die Bindungs­energie der Exzitonen überwunden werden, um freie Ladungs­träger zu erhalten und Strom fließen zu lassen.

Ruf untersuchte mittels temperatur­abhängiger Elektro­absorptions­spektroskopie semitransparente Solarzellen mit Methylammonium-Bleijodid-Absorber, die am ZSW mit einem nass­chemischen Ansatz hergestellt wurden. Die Ergebnisse lassen auf exzi­tonische Übergänge über den gesamten unter­suchten Temperatur­bereich zwschen zehn und 305 Kelvin schließen. Je nach Kristall­struktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändert, beträgt die Exzitonen-Bindungs­energie 26 beziehungs­weise 19 Milli­elektronen­volt. „Die Bindungs­energie ist damit klein genug, um bei Raum­temperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungs­träger zu ermöglichen“, erklärt Hetterich. „Zusätzl­ich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effi­zienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“ (Quelle: KIT / optik-photonik.de)

Referenz: F. Ruf et al.: Excitonic nature of optical transitions in electroabsorption spectra of perovskite solar cells, Appl. Phys. Lett. 112, 083902 (2018); DOI: 10.1063/1.5017943

Links: Institut für Angewandte Physik (H. Kalt), Karlsruher Institute für Technologie KIT, Karlsruhe • Photovoltaik, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart

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