21.09.2020 • Energie

Wie sich Ladungen in Solarzellen bewegen

Besseres Verständnis der Bewegung von Elektronen, Löchern und Ionen könnte Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen.

Wenn Licht auf eine Solarzelle fällt, wird seine Energie auf Elektronen übertragen, die wiederum ein Gerät mit Strom versorgen können - so die einfache Erklärung von Solarzellen. Doch mikroskopisch gesehen laufen viele verschiedene Prozesse ab: Wenn das Elektron bewegt wird, hinterlässt es ein Loch, das wie eine positive Ladung wirkt und sich in entgegengesetzter Richtung durch den Halbleiter bewegt. Gleichzeitig enthalten neuartige Solarzellen auf der Basis von Perowskit-Materialien zusätzlich Ionen, die sich ebenfalls in der Solarzelle bewegen und mit Elektronen und Löchern wechselwirken. Das Verständnis dieses komplexen Tanzes kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen. Gert-Jan Wetzelaer vom MPI für Polymerforschung und sein Team haben mit einer Kombination aus Experiment und Computersimulation neue Einblicke in die mikroskopischen Vorgängen erhalten.

Abb.: Komplexer Tanz: In einer Perowskit-Solarzelle bewegen sich Elektronen,... — Abb.: Komplexer Tanz: In einer Perowskit-Solarzelle bewegen sich Elektronen, Löcher und Ionen und beeinflussen sich gegenseitig. (Bild: MPI-P)

In dem komplexen Wechselspiel ist es wünschenswert, Elektronen oder Löcher so schnell wie möglich zu den Kontakten der Solarzelle zu transportieren. Denn je länger sie im Material verbleiben, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie ihre Energie auf anderem Wege verlieren und wieder in das Material zurückgeben. Um diese Zeit zu optimieren, ist es wichtig, die Mobilität von Elektronen und Löchern genau zu kennen. Diese ist jedoch in einer Solarzelle wegen des komplexen Wechselspiels zwischen Elektronen, Löchern und sich langsam bewegenden Ionen nur schwer zugänglich.

Wetzelaer und sein Team haben zunächst die Geschwindigkeit und die Menge der im Perowskit-Material vorhandenen zusätzlichen Ionen gemessen. Mit diesen Informationen waren sie in der Lage, Computersimulationen durchzuführen, mit denen die Elektronen- und Lochbeweglichkeiten aus Messungen des elektrischen Stroms gewonnen werden konnte. So haben sie herausgefunden, dass sich insbesondere die Löcher langsamer bewegen als ursprünglich angenommen.

„Diese Ergebnisse sind sehr wichtig, um in Zukunft den Wirkungsgrad von Solarzellen optimieren zu können“, sagt Wetzelaer. „Denn wenn wir die genauen Vorgänge, die die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern einschränken, genauer verstehen, können wir nach Möglichkeiten suchen, sie zu umgehen.“

MPI-P / RK