Exzitonen in Perowskit-Solarzellen

Solarzellen mit Wirkungs­graden über 20 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.

„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, 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 Michael Hetterich. „Zusätzl­ich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effi­zienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“

KIT / JOL