Photonen-Recycling – der Schlüssel zu hocheffizienten Perowskit-Solarzellen

Metallhalogenid-Perowskite sind auf großes Interesse als Halbleiter der nächsten Generation für die Solar­energie­umwandlung gestoßen. Seit der ersten Demonstration eines Wirkungs­grades von 3,8 Prozent im Jahr 2009 sind diese rapide gestiegen und hoch­moderne Perowskit-Solarzellen weisen Wirkungs­grade von über 25 Prozent auf, nahe den Rekord­wirkungs­graden der Silizium-Photovoltaik. Dieses schnelle Wachstum während des letzten Jahrzehnts wirft die Frage auf, ob Perowskit-Solarzellen in der Lage sein werden, die thermo­dynamische Grenze des photo­voltaischen Wirkungs­grads zu erreichen, die bei 34 Prozent liegt. Um diesem Ziel näher zu kommen, muss die Solarzelle nicht nur ein guter Licht­absorber, sondern auch ein guter Licht­emitter sein.

Forscher der TU Dresden gelang es jetzt, in Zusammen­arbeit mit Wissen­schaftlern in Korea die wichtige Rolle des Photonen-Recyclings aufzuzeigen. Wenn ein Photon in reabsor­bierende Halbleiter wie Perowskite eingestrahlt wird, kann es vom Emitter selbst wieder absorbiert werden und durch Photo­lumineszenz ein neues Photon erzeugen. Obwohl dieses Phänomen bereits von mehreren Forschungs­gruppen nach­ge­wiesen wurde, konnte sein praktischer Beitrag zur Effizienz von Perowskit-Solarzellen bisher nicht ermittelt werden. Das Team demonstrierte nun, dass Photonen­recycling und Licht­streuungs­effekte die Licht­emissions­effizienz um einen Faktor von etwa fünf verbessern, wodurch die Photospannung von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessert wird.

Diese Arbeit zeigt somit die praktischen Vorteile des Photonen­recyclings in Perowskit-Solarzellen auf. „Perowskite sind bereits gute Absorber. Jetzt ist es an der Zeit, ihre Licht­emissions­fähigkeit zu verbessern, um ihre bereits hohen Leistungs­umwandlungs­effizienzen noch weiter zu steigern“, sagt Changsoon Cho von der TU Dresden. „Das Verständnis des Photonen­recyclings ist ein entscheidender Schritt in diese Richtung.“ Es ist damit äußerst wahrscheinlich, dass der Beitrag des Photonen­recyclings zusammen mit der Unter­drückung verschiedener opto­elektrischer Verluste in Zukunft zu einer weiteren Leistungs­steigerung führen wird. Die obere Grenze für den Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen steigt mit Hilfe des Photonen­recyclings von 29,2 auf 31,3 Prozent.

Mit den vorliegenden grundlegenden Erkenntnissen über die Rolle des Photonen­recyclings biete sich die Möglichkeit, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern, so die Forscher. Tatsächlich motivieren die Verbesse­rungen des Potenzials von Perowskit-Solarzellen dazu, die Kommer­ziali­sierung dieser Technologie weiter voran­zu­treiben. „Unsere Forschung zeigt das Potenzial der Technologie“, sagt Karl Leo von der TU Dresden. „Aber es sind noch viele weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, bevor die Technologie in die Massen­produktion gehen kann.“

TU Dresden / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Cho et al.: Effects of photon recycling and scattering in high-performance perovskite solar cells, Sci. Adv. 7, eabj1363 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abj1363
• Optoelektronik (K. Leo), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, Institut für angewandte Physik, Technische Universität Dresden