Wo die un­ge­woll­te Re­kom­bi­na­tion ge­schieht

In Perowskit-Solar­zellen gehen Ladungs­träger vor allem durch Rekom­bination an Defekten an den Grenz­flächen verloren. Rekom­bination an Defekten im Inneren der Perowskit-Schicht begrenzt dagegen die Leistungs­fähigkeit der Zellen gegen­wärtig nicht. Diese interes­sante Einsicht konnten Teams der Universität Potsdam und am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB nun mit quantitativ äußerst genauen Photo­lumineszenz-Messungen an einem Quadrat­zentimeter großen Perowskit-Absorber­schichten gewinnen.

Mit zusätzlichen Beschichtungen zwischen dem Perowskit-Halbleiter und den Loch- und Elektrontransportschichten (rote und blaue Linien) konnte das Team den Wirkungsgrad weiter steigern. (Bild: U. Potsdam)

Selbst Solarzellen aus einem perfekten Wunder­material würden niemals hundert Prozent des Sonnen­lichts in elek­trische Energie umwandeln. Denn die theoretisch maximal erreichbare Leistung ist begrenzt durch die Lage der Energie­bändern der Elektronen und durch die nicht vermeidbare Abstrahlung von Photonen – thermo­dynamische oder Shockley-Queisser-Grenze – und liegt zum Beispiel bei der Bandlücke von Silizium bei 33 Prozent. 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 sich dem Maximalwert anzunähern, gilt es daher die verschie­denen Defekte in Solar­zellen zu untersuchen und zu ermitteln, welche Defekte auf welche Weise zu Verlusten führen.

Als besonders spannende, neue Material­klasse für Solarzellen gelten metall­organische Perowskit-Absorber­schichten – in nur zehn Jahren ließ sich ihr Wirkungs­grad von drei Prozent auf über zwanzig Prozent erhöhen. Nun ist es einem Team um Dieter Neher, Universität Potsdam und Thomas Unold, HZB, gelungen, die entscheidenden Verlust­prozesse in Perowskit-Solar­zellen zu identi­fizieren und damit den Wirkungs­grad dieser Zellen deutlich zu verbessern. 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. Ob diese Defekte aber bevorzugt im Inneren der Perowskit-Schicht sitzen oder eher an der Grenzfläche zwischen Perowskit- und Transport­schicht, das war bislang unklar.

An dieser Perowskit-Solarzelle untersuchten die Wissenschaftler die Verlustprozesse im Detail. (Bild: U. Potsdam)

Um dies heraus­zufinden, nutzten die Kooperations­partner die Methode der Photo­lumineszenz 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 wiederum Licht abstrahlte. „Diese Mess­methode ist bei uns so präzise, dass wir die Anzahl der ausge­strahlten Photonen genau angeben können“, erklärt Unold. Und nicht nur das, auch die Energie der abge­strahlten Photonen wurde mit einer hyper­spektralen CCD-Kamera genau erfasst und analysiert.

„Wir konnten so 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. Dies ist eine wichtige Information, um Perowskit-Solar­zellen weiter zu verbessern, etwa durch Zwischen­schichten, die sich günstig auswirken oder durch veränderte Herstellungs­methoden. Mithilfe dieser Erkennt­nisse ist es der Gruppe um Dieter Neher und Martin Stolter­foht an der Uni Potsdam gelungen, die Grenzflächen­rekombination zu verringern und dadurch den Wirkungsgrad der Perowskit-Solar­zellen auf mehr als zwanzig Prozent zu erhöhen. (Quelle: HZB / optik-photonik.de)

Referenz: M. Stolterfoht et al.: Visualization and suppression of interfacial recombination for high-efficiency large-area pin perovskite solar cells, Nat. Ener., online 30. Juli 2018; DOI: 10.1038/s41560-018-0219-8

Links: Struktur und Dynamik von Energiematerialien, Helmholtz-Zentrum Berlin HZBPhysik weicher Materie (D. Neher), Universität Potsdam

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