Neues von Perowskit-Solarzellen

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Dennoch Blei ersetzen und Stabilität erhöhen

Die Forschung steht derzeit vor den Herausforderungen, die langfristige Stabilität der Perowskit-Solarzellen zu erhöhen sowie das in ihnen enthaltene Schwermetall Blei durch umweltverträglichere Elemente zu ersetzen. Dazu bedarf es tieferer Einblicke in die Struktur und Funktion der Perowskit-Schichten. Forscher am Institut für Angewandte Physik und am Lichttechnischen Institut des KIT sowie am ZSW und der Ludwig-Maximilians-Universität München untersuchen in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekts CISOVSKIT (Entwicklung hocheffizienter Hybrid-Solarzellen aus CIGS- und Perowskitmaterialien) die Funktion von auf Perowskiten basierenden Dünnschicht-Tandem-Solarzellen. Dabei haben sie nun neue Erkenntnisse zur physikalischen Natur der optischen Übergänge gewonnen. Die Wissenschaftler berichten darüber in einem „Featured Article“ der Zeitschrift Applied Physics Letters.

Optische Übergänge sind Änderungen des Energiezustands von Elektronen in einem Material durch Emission (Abgabe) oder Absorption (Aufnahme) von Photonen, das heißt Lichtteilchen. Wie Fabian Ruf in seiner Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe von Professor Heinz Kalt am KIT gezeigt hat, ist in Solarzellen mit dem Absorbermaterial Methylammonium-Bleijodid, dem klassischen Halid-Perowskit, der grundlegende optische Übergang exzitonischer Natur. Das bedeutet, dass in den Solarzellen nach der Absorption von Lichtteilchen Exzitonen entstehen können – das sind gebundene Elektron-Loch-Paare, welche die opto-elektronischen Eigenschaften wesentlich bestimmen. Dabei muss die Bindungsenergie der Exzitonen überwunden werden, um freie Ladungsträger zu erhalten und Strom fließen zu lassen.

Fabian Ruf untersuchte mittels temperaturabhängiger Elektroabsorptionsspektroskopie semitransparente Solarzellen mit Methylammonium-Bleijodid-Absorber, die von Moritz Schultes am ZSW mit einem nasschemischen Ansatz hergestellt wurden. Die Ergebnisse lassen auf exzitonische Übergänge über den gesamten untersuchten Temperaturbereich schließen – von zehn Kelvin (minus 263 Grad Celsius) bis zu Raumtemperatur. Je nach Kristallstruktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändert, beträgt die Exzitonen-Bindungsenergie circa 26 beziehungsweise 19 Millielektronenvolt. „Die Bindungsenergie ist damit klein genug, um bei Raumtemperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungsträger zu ermöglichen“, erklärt Hetterich. „Zusätzlich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effizienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“

DFG bewilligte Perowskit-Halbleiter-Forschungsprogramm

Wie Daniel Seeger auf pv magazine schreibt, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat nun zur Erforschung von Perowskit-Halbleitern ein Schwerpunktprogramm bewilligt. Sie fördere das Programm bis zu sechs Jahre lang mit jährlich rund 2,3 Millionen Euro, wie die Universität Konstanz am Dienstag mitgeteilt habe. Lukas Schmidt-Mende, Professor für Hybride Nanostrukturen an der dortigen Universität, wird demnach das Programm mit dem Titel „Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung“ koordinieren.

Das Schwerpunktprogramm solle europaweit zu einem der größten Verbünde bei der Perowskit-Forschung werden. Aus ganz Deutschland, Oxford in Großbritannien und der Schweiz seien Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt. „Die Idee des Schwerpunktprogramms ist, ein starkes Netzwerk zu schaffen, das die Forschung weiter voranbringt, als wenn einzelne Gruppen jeweils für sich arbeiten“, sagt Schmidt-Mende. Dabei sei man grundsätzlich interdisziplinär aufgestellt und habe seine Kerne in den Fachbereichen Physik und Chemie.

Bis Anfang 2019 sollen die Teilprojekte für eine Förderung im Rahmen des Schwerpunktprogramms ausgewählt werden. „Es wird eine Ausschreibung der DFG geben, zu der sich dann die verschiedenen Institutionen bewerben können“, erklärt Schmidt-Mende auf Nachfrage von pv magazine. Die Ziele des gesamten Projekts seien dabei zumeist grundlagenorientiert, es gehe um das bessere Verständnis dafür, was Perowskite zu so exzellenten Halbleitermaterialien für Solarzellen macht. „Es sollen aber auch sehr anwendungsbezogene Themen wie die Degradationsmechanismen oder der Einsatz in Tandemsolarzellen untersucht werden“, so der Koordinator.

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