09. Apr 2018

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

KIT: Was Perowskit-Solarzellen so effizient macht

(KIT) Solarzellen mit Wirkungsgraden über 20 Prozent bei kostengünstiger Herstellung – 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. Über ihre Arbeit berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Applied Physics Letters.

Bemerkenswerte Entwicklung
Perowskite gehören zu den vielversprechenden Materialien für Solarzellen: Mit ihnen lassen sich hoher Wirkungsgrad und kostengünstige Herstellung vereinbaren. Das Interesse der Photovoltaik-Forschung fokussiert sich auf Halid-Perowskite, die sowohl organische als auch anorganische Verbindungen enthalten und daher als hybride Halbleiter gelten. „Diese Perowskite haben in weniger als einem Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Inzwischen wandeln sie in Solarzellen über 20 Prozent des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um“, berichtet der Photovoltaik-Experte Michael Hetterich vom KIT, der die gemeinsamen Aktivitäten des KIT mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) koordiniert.

Das enorme Potenzial der Perowskite zeigt sich auch in Tandem-Solarzellen, die eine semitransparente obere Perowskit-Zelle mit einer unteren Zelle aus Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) kombinieren. Dadurch lässt sich das Spektrum des Sonnenlichts optimal ausnutzen.

Physikalische Natur der optischen Übergänge
Die Forschung steht derzeit 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. Forscher am Institut für Angewandte Physik und am Lichttechnischen Institut des KIT sowie am ZSW und der Ludwig-Maximilians-Universität München untersuchen in dem Verbundprojekt Cisovskit (Entwicklung hocheffizienter Hybrid-Solarzellen aus CIGS- und Perowskitmaterialien) die Funktion von auf Perowskiten basierenden Dünnschicht-Tandem-Solarzellen. Dabei haben sie nun neue Erkenntnisse zur physikalischen Natur der optischen Übergänge gewonnen. Die Wissenschaftler berichten darüber in einem „Featured Article“ der Zeitschrift Applied Physics Letters.

Optische Übergänge sind Änderungen des Energiezustands von Elektronen in einem Material durch Emission (Abgabe) oder Absorption (Aufnahme) von Photonen, das heisst Lichtteilchen. Wie Fabian Ruf in seiner Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe von Professor Heinz Kalt am KIT nun gezeigt hat, ist in Solarzellen mit dem Absorbermaterial Methylammonium-Bleijodid, dem klassischen Halid-Perowskit, der grundlegende optische Übergang exzitonischer Natur. Das bedeutet, dass in den Solarzellen nach der Absorption von Lichtteilchen Exzitonen entstehen können – das sind gebundene Elektron-Loch-Paare, welche die opto-elektronischen Eigenschaften wesentlich bestimmen. Dabei muss die Bindungsenergie der Exzitonen überwunden werden, um freie Ladungsträger zu erhalten und Strom fliessen zu lassen.

Effizienter Betrieb der Perowskit-Solarzelle
Fabian Ruf untersuchte mittels temperaturabhängiger Elektroabsorptionsspektroskopie semitransparente Solarzellen mit Methylammonium-Bleijodid-Absorber, die von Moritz Schultes am ZSW mit einem nasschemischen Ansatz hergestellt wurden. Die Ergebnisse lassen auf exzitonische Übergänge über den gesamten untersuchten Temperaturbereich schliessen – von zehn Kelvin (minus 263 Grad Celsius) bis zu Raumtemperatur. Je nach Kristallstruktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändert, beträgt die Exzitonen-Bindungsenergie circa 26 beziehungsweise 19 Millielektronenvolt. „Die Bindungsenergie ist damit klein genug, um bei Raumtemperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungsträger zu ermöglichen“, erklärt Michael Hetterich. „Zusätzlich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effizienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“

Originalpublikation: Excitonicnatureofopticaltransitions in electroabsorptionspectraofperovskite solar cells >>

Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

2 Kommentare
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Füchsli @ 24. Aug 2018 04:30

Silicium-Zellen nutzen einen anderen Spektralbereich als Perowskite Zellen. Die Idee liegt darin, die Zellen zu kombinieren und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Ausserdem ist der erreichbare Wirkungsgrad der Perowskite Zellen deutlich höher als derjenige der Silicium Zellen.

Max Blatter @ 13. Apr 2018 17:35

Bekanntlich ist Quarzsand (der als Ausgangsmaterial für die Halbleitertechnik eine wesentlich geringere Qualität aufweisen kann als Bausand!) einer der am häufigsten vorkommenden Rohstoffe überhaupt. Deshalb habe ich noch nie verstanden, weshalb man überhaupt Solarzellen aus wesentlich selteneren Materialien erforscht?

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