Perowskit-Halbleiter Das Photonen-Recycling und die Qualität von Solarzellen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Qualität von Perowskit-Halbleitern für den Einsatz in Solarzellen lässt sich mit der sogenannten Photolumineszenz-Quantenausbeute bestimmen. Dazu haben Forscher jetzt ein Modell entwickelt, um die Ausbeute von Perowskit-Schichten exakt zu bestimmen.

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Perowskit-Solarzellen haben beim Wirkungsgrad gegenüber Silzium-Solarzellen deutlich aufgeholt – einige ihrer Eigenschaften sind aber noch nicht vollständig verstanden.
Perowskit-Solarzellen haben beim Wirkungsgrad gegenüber Silzium-Solarzellen deutlich aufgeholt – einige ihrer Eigenschaften sind aber noch nicht vollständig verstanden.
(Bild: Markus Breig, KIT)

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt wesentlich vom eingesetzten Material ab. Also wie viel Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Metall-Halid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Mit diesen Halbleitern, die ihren Namen der speziellen Perowskit-Kristallstruktur verdanken, ist in den vergangenen Jahren eine deutliche Effizienzsteigerung gelungen: Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5% erreicht – nicht mehr weit entfernt von dem der marktdominierenden Silizium-Solarzellen.

Zudem sind die für Perowskit-Solarzellen benötigten Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden, die Solarzellen lassen sich einfach und günstig herstellen und vielseitig einsetzen. Der bei Perowskit-Solarzellen theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei ungefähr 30,5% . Um diesem Wirkungsgrad nahezukommen, muss die optoelektronische Qualität der Perowskit-Halbleiter weiter steigen. Grundsätzlich gilt, dass für die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient wieder emittieren sollen – ein als Photolumineszenz bezeichneter Prozess.

Die Qualität der Perowskit-Halbleiter

Die zugehörige Messgröße, genannt Photolumineszenz-Quantenausbeute, eignet sich dazu, die Qualität der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen. Forschende am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Universität Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt.

Unser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln.

Dr. Paul Faßl vom IMT des KIT

Ein wichtiger Punkt dabei ist das Photonen-Recycling, wie es Dr. Faßl bezeichnet. Also der Anteil, der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der dünnen Schichten reabsorbiert und wieder reemittiert wird. Die Forscher wandten ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3) an, einem der Perowskite mit der höchsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90% geschätzt, beträgt aber nach den Modellberechnungen ungefähr 78%.

Unterschätzte Lichtstreuung

Eine wichtige Rolle bei der Berechnung der Photolumineszenz-Quantenausbeute spielt der Anteil des sogenannten Photonen-Recyclings, der Reemission von reabsorbierten Photonen.
Eine wichtige Rolle bei der Berechnung der Photolumineszenz-Quantenausbeute spielt der Anteil des sogenannten Photonen-Recyclings, der Reemission von reabsorbierten Photonen.
(Bild: IMT/KIT)

Wie die Wissenschaftler erläutern, berücksichtigten die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und unterschätzten daher die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen – die Quanten der Lichtenergie – aus der Schicht entweichen, bevor sie reabsorbiert werden. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial für die Optimierung dieser Materialien deutlich höher ist als bisher angenommen“, sagt Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am IMT des KIT.

Das Forschungsteam stellt eine Open-Source-Anwendung bereit, mit der sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute verschiedener Perowskit-Materialien anhand ihres Modells berechnen lässt.

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