25.03.2022

Prognose-Werkzeug für die Solarforschung

Terahertz- und Mikrowellen-Spektroskopie liefern wertvolle Informationen über Verhalten von Ladungsträgern.

Viele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungs­grade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungs­einrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebens­dauer der Ladungs­träger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungs­grad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.

 

Abb.: Im Femtosekunden-Laserlabor von Dennis Friedrich kann der...
Abb.: Im Femtosekunden-Laserlabor von Dennis Friedrich kann der Ladungs­transport in Halbleitern mit Teraherz- und Mikrowellen-Spektroskopie untersucht werden. Dafür generieren Laserpulse zuerst Ladungs­träger im Material, die dann proportional zu ihrer Mobilität lang­wellige Strahlung absorbieren. (Bild: HZB)

Zu den wichtigsten Materialeigenschaften eines Halbleiters, der als Solarzelle verwendet werden soll, zählen Mobilität und Lebens­dauer von Elektronen und Löchern. Beide Größen lassen sich kontaktlos mit Hilfe von spektroskopischen Methoden mit Terahertz- und Mikrowellenstrahlung messen. Allerdings unterscheiden sich die Messdaten aus der Literatur oft um Größen­ordnungen, so dass es schwierig war, daraus zuverlässige Berechnungen abzuleiten.

„Diesen Unterschieden wollten wir auf den Grund gehen“, sagt Hannes Hempel aus dem HZB-Team um Thomas Unold. Dafür haben die HZB-Physiker Fachleute aus insgesamt 15 inter­nationalen Laboren eingebunden und gemeinsam mit ihnen typische Fehlerquellen und Probleme der Messungen analysiert. Jedes Labor erhielt Referenz­proben mit der auf Stabilität optimierten Perowskit-Halbleiter­verbindung (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3). Die Proben wurden von Martin Stolterfoht an der Universität Potsdam produziert.

Ein Ergebnis der gemeinsamen Arbeit ist die deutlich präzisere Ermittlung der Transport­eigenschaften mit Terahertz- und Mikrowellen­spektroskopie. „Wir wissen nun, worauf wir im Vorfeld der Messungen achten müssen und kommen so zu deutlich besser übereinstimmenden Werten“, betont Hempel.

Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich mit diesen zuverlässigen Messdaten und einer weiter-entwickelten Analyse auch die Kennlinien der Solarzelle präziser berechnen lassen. „Wir glauben, dass diese Analyse für die Photovoltaik-Forschung von großem Interesse ist, weil sie den maximal möglichen Wirkungsgrad des Materials in einer Solarzelle vorhersagt und den Einfluss verschiedener Verlustmechanismen, wie Transportbarrieren, offenlegt“, sagt Unold. Dies gilt nicht nur für die Materialklasse der Perowskit-Halbleiter, sondern auch für andere neue halbleitende Materialien, die sich so rasch auf ihre mögliche Eignung überprüfen lassen.

HZB / DE

 

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