Solarzellen aus Perowskit-Kristallen statt aus Silizium könnten dank geringer Fertigungskosten die Photovoltaik-Branche revolutionieren. Im Labor haben erste Prototypen bereits Wirkungsgrade von über 20 Prozent erreicht. Nun entdeckte eine britisch-niederländische Forschergruppe einen weiteren Vorteil dieser Solarzellen. In den Perowskit-Kristallen konnten einfallende Photonen quasi recycelt werden. Rekombinierte Elektron-Loch-Paare verursachten dabei eine Photolumineszenz. Diese Photonen erzeugten etwas entfernt wiederum Elektron-Loch-Paare, die Grundlage für einen photovoltaischen Stromfluss. Mit Perowskit-Zellen, die auf die Nutzung dieses Recycling-Effekt optimiert werden, ließe sich der Wirkungsgrad weiter steigern.
Abb.: Photonen-Recycling in Perowskit-Solarzellen könnten deutliche höhere Wirkungsgrade ermöglichen (künstler. Illustration). (Bild: L. M. Pazos-Outón et al., U. Cambridge)
„Diese Eigenschaft für ein Photonen-Recycling haben andere Materialien wie Silizium einfach nicht“, sagt Luis Miguel Pazos Outón vom Cavendish Laboratory an der Universitsy of Cambridge. Wie sich der Effekt bei Perowskit-Kristallen verhält, analysierte Outón zusammen mit Kollegen der University of Oxford und vom FOM Institute AMOLF in Amsterdam. Dazu beschichteten sie einen Glasträger mit einer etwa 100 Nanometer dünnen Schicht aus Bleitrijodid-Perowskit. Diese Schicht beleuchteten sie an einem Punkt mit einem Laser, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Über deren Rekombination emittierte die Perowskitschicht auch abseits des Laserspots Licht. Die lokale Verteilung dieser Photolumineszenz analysierten die Forscher mit einem optischen Mikroskop mit etwa 1,5 Mikrometer Auflösung.
In einer Entfernung von bis zu 50 Mikrometern vom anregenden Laserspot entfernt emittierte die Perowskitschicht Licht mit einer rotverschobenen Wellenlänge von etwas über 800 Nanometer. Eine Spektralanalyse ergab, das in dem Emissionsspektrum auch kürzere Wellenlängen um 765 Nanometer enthalten waren. Dieses Phänomen erklärten die Forscher mit einem Photonen-Recycling, das mit zunehmenden Abstand vom ursprünglichen Laserspot schwächer wurde. Damit die Ladungen und Photonen relativ weite Strecken im Perowskit-Kristall zurücklegen konnten, schien eine wiederholte Rekombination der Ladungsträger mit darauf folgender Lichtemission nicht unwahrscheinlich. Die schon früher beobachtete Ladungsdiffusion über bis zu 175 Mikrometern liefert ein weiteres Indiz für diesen Prozess.
In einem weiteren Versuch fertigten Outón und Kollegen eine komplette Perowskit-Solarzelle. Mit dieser untersuchten sie, ob in den Kristallen auch ein photovoltaischer Strom abseits des anregenden Laserspots auftreten konnte. Die ortsaufgelöste Messung des Photostroms bestätigte diese Annahme und zeigte linear sinkende Werte bis zu einem Abstand von 120 Mikrometern. Eine theoretische Abschätzung zeigte, dass ohne ein Photonen-Recycling kein Photostrom in einem Abstand von mehr als 30 Mikrometern auftreten könnte. Wurde in dem Modell ein Recycling-Prozess berücksichtigt, ließ sich der Verlauf der abfallenden Photostromkurve im Wesentlichen rekonstruieren.
Die erneute Lichtemission von rekombinierten Elektron-Loch-Paaren könnte die erstaunlich hohe Effizienz von Perowskit-Solarzellen erklären helfen. „Dieser Effekt konzentriert viele Ladungsträger in einem sehr kleinen Volumen“, sagt Outón. Auf der Grundlage ihres theoretischen Modells ließ sich berechnen, dass eine 350 Nanometer dicke Perowskitschicht dank des Photonen-Recyclings zu einer Verdopplung der internen Photonen-Dichte führen könnte. Entsprechend könnten mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern.
Für die weitere Entwicklung von Perowskit-Solarzellen kann diese Studie wichtige Impulse liefern. Parallel wird an einer Steigerung der Haltbarkeit dieser Zellen gearbeitet. Das australische Unternehmen Dyesol berichtete jüngst von so guten Ergebnisse, um in naher Zukunft eine erste Pilotfertigung von Perowskit-Solarzellen starten zu können. Entwickler vom Helmholtz-Zentrum Berlin favorisieren den Bau von hybriden Tandem-Zellen aus Perowskit und Silizium, die Wirkungsgrade von bis zu 30 Prozent erreichen sollen.
Jan Oliver Löfken
DE
