Wie sich Ladungen in Solarzellen bewegen

Verständnis mikroskopischer Prozesse in Perowskit-Solarzellen kann zu höherem Wirkungsgrad führen

Wenn die Sonne aufgeht, beginnt in Perowskit-Solarzellen – die bald aktuelle Silizium-Solarzellen ergänzen oder ersetzen könnten – ein komplexer Tanz: Elektronen werden durch Licht mit Energie versorgt und in Bewegung versetzt und hinterlassen Löcher,. Gleichzeitig bewegen sich Ionen im Perowskit-Material. Das Verständnis dieses komplexen Tanzes kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen. Gert-Jan Wetzelaer, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz, und sein Team haben mit einer Kombination aus Experiment und Computersimulation neue Einblicke in die mikroskopischen Vorgängen erhalten und sie in Nature Communications publiziert.

Abstract aus Nature Communications

“Hybride organisch-anorganische Perowskite sind vielversprechende Materialien für den Einsatz in Solarzellen und Leuchtdioden. Allerdings ist das grundlegende Strom-Spannungs-Verhalten für Elektronen und Löcher in diesen Halbleitern aufgrund ihres gemischt elektronisch-ionischen Charakters noch wenig verstanden. Hier präsentieren wir die Analyse von raumladungs-begrenzten Elektronen- und Lochströmen im archetypischen Perowskit-Methylammoniumbleijodid (MAPbI3). Wir zeigen, dass die Frequenzabhängigkeit der Permittivität eine entscheidende Rolle bei der Analyse von raumladungs-begrenzten Strömen und deren Abhängigkeit von der Spannungsabtastrate und der Temperatur spielt. Mit Hilfe eines gemischten elektronischionischen Bauelementmodels, das auf experimentell ermittelten Parametern basiert, werden die Strom-Spannungs-Charakteristiken von Einträger-Bauelementen genau reproduziert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass in unseren lösungsverarbeiteten MAPbI3-Dünnschichten der Transport von Elektronen über Löcher dominiert. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Richtung der Hysterese in der Strom-Spannungs-Charakteristik einen Fingerabdruck für das Vorzeichen der dominanten sich bewegenden Ionenspezies liefert.”

Allgemeinverständlich formuliert: Wenn Licht auf eine Solarzelle fällt, wird seine Energie auf Elektronen übertragen, die wiederum ein Gerät mit Strom versorgen können – so die einfache Erklärung der Funktionsweise von Solarzellen. Aber 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 das Solarzellenmaterial – einen Halbleiter – bewegt. Gleichzeitig enthalten neuartige Solarzellen auf der Basis von Perowskit-Materialien zusätzlich geladene Atome, also Ionen, die sich ebenfalls in der Solarzelle bewegen und mit Elektronen und Löchern wechselwirken.

Komplexer Tanz: In einer Perovski-Solarzelle bewegen sich Elektronen, Löcher und Ionen und beeinflussen einander – © MPI-P

In diesem 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 so genannte „Mobilität“ – also die Geschwindigkeit – von Elektronen und Löchern genau zu kennen. Diese war jedoch in einer Solarzelle wegen des komplexen Wechselspiels zwischen Elektronen, Löchern und sich langsam bewegenden Ionen nur schwer zugänglich.

Gert-Jan Wetzelaer und sein Team haben zunächst die Geschwindigkeit und die Menge der im Perowskitmaterial 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“.

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