Ge­ball­te La­dung in Pe­rows­kit-Solar­zel­len

Solarzellen aus Perowskit elek­trisieren derzeit die Solarzellen­forscher: Dieses neue, billige und einfach zu verarbeitende Material hat nahezu ideale physika­lische Eigen­schaften für die Umwandlung von Licht in elek­trischen Strom: Da es pechschwarz ist, reicht eine hauchdünne Schicht von weniger als einem tausendstel Millimeter aus, um das gesamte einfallende Sonnen­licht zu absorbieren. Gleich­zeitig ist es ein sehr guter elek­trischer Leiter, der die erzeugten elek­trischen Ladungen schnell und effizient an die Kontakte und daran ange­schlossene Geräte abgeben kann.

Illustration der Schicht-Struktur in einer Perowskit-Solarzelle. Mit einer Spitze über der Oberfläche können die Spannungsverhältnisse in der Zelle gemessen werden. (Bild: MPI-P)

So können Perowskit­-Solarzellen heute mit einer Effizienz von 22,7 Prozent bei der Umwandlung von Licht­energie in elek­trische Energie bereits die besten multi­kristallinen Silizium­solarzellen über­treffen. Um die Effi­zienz weiter steigern zu können und um Perowskit­-Solarzellen fit für die Kommerzia­lisierung zu machen, ist es jedoch für die Forscher sehr wichtig, alle Prozesse zu verstehen, die in der Solar­zelle beim Betrieb auftreten. Gemeinsam mit Forschern der École Poly­technique Fédérale de Lausanne ist es der Gruppe um Stefan Weber und Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymer­forschung in Mainz gelungen, die Prozesse nach dem Ausschalten des Lichts zu entschlüsseln.

Dazu haben die Forscher Solar­zellen gezielt in der Mitte durch­gebrochen und auf einer kleinen, wenige millionstel Meter breiten Fläche glattpoliert. In einem Rasterkraft­mikroskop haben sie dann eine dünne Metall­spitze über der Querschnitts­fläche der Solarzelle posi­tioniert. Diese Metallspitze ist an ihrem Ende nur etwa zehn Nanometer breit. Mit dieser als Kelvinsonden­mikroskopie bekannten Methode konnten die Forscher die elektrische Spannung auf der polierten Querschnitts­fläche unmittelbar unter der Spitze ausmessen. Mit einer eigens entwickelten Variante dieser Messtechnik konnten die Mainzer nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich hoch­auflösend den Spannungs­verlauf in den einzelnen Schichten der Solar­zelle vermessen.

Der Spannungs­verlauf in der Solar­zelle ist deshalb so interes­sant, weil er maßgeblich die Trennung der durch das Licht erzeugten elek­trischen Ladungen beeinflusst: Aufgrund der elektro­statischen Kräfte wandern positive Ladungen zum Minuspol und negative Ladungen zum Pluspol der Spannung. Auf der beleuch­teten Querschnitts­fläche der Solarzelle entdeckten die Mainzer Wissen­schaftler eine Ansammlung von Ladungen am Rand der Perowskit­schicht, die auch nach dem Abschalten des Lichts noch für einen kurzen Augenblick stabil war.

„Diese Ladungen an den Grenz­flächen des Perowskits spielen die Hauptrolle für die Hysterese, da sie auch nach dem Ausschalten des Lichts für etwa eine halbe Sekunde ein elek­trisches Feld in der Zelle aufrecht erhalten“, sagt Stefan Weber. „Umgekehrt bedeutet das, dass Hysterese durch gezielte Modifi­kationen an diesen Grenz­flächen beein­flusst oder ganz unter­drückt werden kann.“ Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendung von Perowskit-Solar­zellen. (Quelle: MPI-P / optik-photonik.de)

Referenz: S. A. L. Weber et al.: How the formation of interfacial charge causes hysteresis in perovskite solar cells, Energy Enviro. Sci., online 5. Juni 2018; DOI: 10.1039/C8EE01447G

Link: Arbeitsgruppe S. Weber, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz

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