Perowskit-Solarzellen

Perowskite
Perowskite gehören zu den vielversprechendsten Materialien für Solarzellen: Mit ihnen lassen sich ein hoher Wirkungsgrad und kostengünstige Herstellung vereinbaren. Das Interesse der Photovoltaik-Forschung fokussiert sich auf Halid-Perowskite, die sowohl organische als auch anorganische Verbindungen enthalten und daher als hybride Halbleiter gelten. „Diese Perowskite haben in weniger als einem Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Inzwischen wandeln sie in Solarzellen über 20 % des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um“, berichtet der Photovoltaik-Experte Dr. Michael Hetterich vom KIT, der die gemeinsamen Aktivitäten des KIT mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) koordiniert. Das Potenzial der Perowskite zeigt sich auch in Tandem-Solarzellen, die eine semitransparente obere Perowskit-Zelle mit einer unteren Zelle aus Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) kombinieren. Dadurch lässt sich das Spektrum des Sonnenlichts optimal ausnutzen.
Aktuelle Forschung
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 Verbundprojekt 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.
Erkenntnisse zu optischen Übergängen
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 nun 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 10 K (-263 °C) bis zu Raumtemperatur. Je nach Kristallstruktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändert, beträgt die Exzitonen-Bindungsenergie ca. 26 beziehungsweise 19 Millielektronenvolt. „Die Bindungsenergie ist damit klein genug, um bei Raumtemperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungsträger zu ermöglichen“, erklärt Michael Hetterich. „Zusätzlich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effizienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“
Das American Institute of Physics (AIP) wählte die Arbeit zur Präsentation auf seiner Website „Scilight“ aus: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5026230 
_{(Quelle: KIT – Karlsruher Institut für Technologie)}