Effizienz von Perowskit-Solarzellen gesteigert

Jülicher Wissenschaftler haben Leerlaufspannung auf einen Rekordwert von 1,26 Volt erhöht

(pte009/28.01.2019/10:30) – Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich http://fz-juelich.de haben die sogenannte Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen auf
einen Rekordwert von 1,26 Volt erhöht. Der Wert gilt als Schlüssel zur
Verbesserung des Wirkungsgrads. Er zeigt an, wie viele elektrische
Ladungsträger in der Zelle vorhanden sind, wenn Licht auf die Zelle
fällt, und ist damit direkt proportional zu der erreichbaren Leistung
der Zelle.

Materialbeschaffenheit wichtig

Der Labor-Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen liegt inzwischen bei
über 20 Prozent, während die besten Silizium-Solarzellen eine Effizienz
von mehr als 26 Prozent erzielen. Die Leerlaufspannung zeigt an, wie
viel Energie innerhalb der Zelle durch Rekombinationsprozesse verloren
geht. Solarzellen absorbieren "Lichtteilchen", genannt Photonen, was zur
Anregung von Ladungsträgern, beispielsweise Elektronen, führt. So
entstehen freie, bewegliche Ladungsträger, die zu einem elektrischen
Stromfluss beitragen können. Die angeregten Zustände bestehen allerdings
nur für kurze Zeit. Fällt ein Ladungsträger von dem angeregten in den
Normal-Zustand zurück, spricht man von Rekombination.

Wie lange angeregte, bewegliche Ladungsträger erhalten bleiben, ist auch
von den Materialien und den Grenzflächen abhängig, die sich
verschiedenartig herstellen lassen. Die Energie, die zur Anregung der
Elektronen mindestens nötig ist, die sogenannte Bandlücke, wirkt sich
ebenfalls auf die Leerlaufspannung aus, was die Effizienz meist aber
nicht erhöht. Daher müssen Leerlaufspannungen immer relativ zur
Bandlücke des Halbleiters verglichen werden. Bei höheren Bandlücken
steigt zwar die Leerlaufspannung, aber es werden auch weniger Photonen
absorbiert. Der bisherige Höchstwert für die Leerlaufspannung von
Perowskit-Solarzellen mit der meistens verwendeten Bandlücke von 1,6
Elektronenvolt lag bei 1,21 Volt.

1,32 Volt theoretisch möglich

Bislang war unklar, wie weit sich die Leerlaufspannung von
Perowskit-Solarzellen noch steigern lässt. Das theoretische Maximum
liegt bei der momentan verwendeten Bandlücke bei 1,32 Volt. Die Jülicher
Forscher haben nun gezeigt, dass die erzielbare Spannung prinzipiell
nicht durch die beidseitig angrenzenden Kontaktmaterialien limitiert
ist. Die Qualität der Schichten und Grenzflächen in ihrer Zelle ist
hinsichtlich der Rekombination ähnlich hoch wie die von Zellen aus
Silizium und Galliumarsenid, die sich nur mit extrem aufwendigen
Methoden bei hohen Temperaturen herstellen lassen. Das zeigt, dass
druckbare Photovoltaik und Optoelektronik das Potenzial hat, langfristig
ähnlich effiziente optoelektronische Bauelemente wie mit klassischen
Halbleitermaterialien zu realisieren.