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

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