Ultraschnell und effizient
Ladungstrennung und Rekombination in Perowskit-Solarzellen genauer untersucht.
In nur wenigen Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Solarzellen auf Perowskit-Basis von nur drei auf jetzt über 16 Prozent gesteigert. Doch es gibt wesentliche Unterschiede zu konventionellen Solarzellen. Insbesondere war bislang noch nicht gut verstanden, wie die zentralen Prozesse genau ablaufen: von der Absorption des Lichts über die Ladungstrennung im Inneren des Materials bis hin zum Ladungstransport entlang der Oberfläche. Diesen letzten Prozess konnten nun drei Teams aus der Ecole polytechnique fédérale in Lausanne (EPFL) und dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe aufklären. Sie untersuchten dafür Solarzellen auf Perowskit-Basis mit unterschiedlichen Architekturen. Ihre Ergebnisse könnten das gezielte Design noch leistungsstärkerer Perowskit-Solarzellen ermöglichen.
Abb.: Diese Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigt den Aufbau der Perowskit-Solarzelle: Auf einem Substrat (Glas und FTO) ist die Trägerstruktur aus hochporösem Titandioxid aufgebracht, in dessen Poren das Perowskit eingelagert ist. Diese Schicht ist mit einer organischen Schicht (HTM) sowie einem Goldkontakt bedeckt. (Bild: EPFL)
Die Teams um Michael Grätzel und Jaques E. Moser am EPFL und die Gruppe um Roel van de Krol vom HZB konnten mit zeitaufgelösten Spektroskopiemethoden wie der ultraschnellen Laserspektroskopie und der Mikrowellenphotoleitfähigkeit bestimmen, wie sich Ladungsträger entlang von Perowskit-Oberflächen bewegen und rekombinieren.
Sie untersuchten diese Prozesse mit verschiedenen Zellarchitekturen: Dabei nutzten sie halbleitendes Titandioxid oder isolierende Aluminiumtrioxid-Schichten als poröse Trägerstrukturen. Sie imprägnierten diese Strukturen mit blei- und jodhaltigem Perowskit sowie einem organischen Material, das für den Transport von „Löchern“ sorgte.
Mit den zeitaufgelösten Messungen konnten sie zwei Phänomene genau vermessen, die für den Wirkungsgrad der Zelle entscheidend sind: die Ladungstrennung und ihre Rekombination. Die Ladungstrennung wird durch das einfallende Licht im Perowskit ausgelöst. Messungen mit ultraschneller Laserspektroskopie zeigten, dass diese Ladungstrennung in weniger als einer Pikosekunde abläuft. Die Rekombination von Ladungsträgern ist dagegen ein unerwünschter Vorgang, weil sie den Wirkungsgrad der Solarzelle vermindert. „Dieser Prozess der Rekombination findet in Architekturen mit Titandioxid deutlich langsamer statt als in solchen mit Aluminiumtrioxid. Das haben wir durch die Messung der Mikrowellenphotoleitfähigkeit ermitteln können“, erklärt Dennis Friedrich vom HZB.
Die Ergebnisse zeigen, dass in Perowskit-Solarzellen der Ladungstransfer ultraschnell und effizient stattfinden kann und dass Architekturen, die auf einer Kombination von Titandioxid und Lochleitungsschicht basieren, deutlich besser geeignet sind, um die Rekombination zu unterdrücken.
HZB / AH
