Photonen-Recycling in Perowskit-Solarzellen

  • 24. March 2016

Zusätzliche Lichtemission in Kristallen könnte Wirkungsgrade deutlich steigern.

Solarzellen aus Perowskit-Kristallen statt aus Silizium könnten dank geringer Fertigungs­kosten die Photo­voltaik-Branche revolutionieren. Im Labor haben erste Prototypen bereits Wirkungsgrade von über 20 Prozent erreicht. Nun entdeckte eine britisch-niederländische Forscher­gruppe einen weiteren Vorteil dieser Solarzellen. In den Perowskit-Kristallen konnten einfallende Photonen quasi recycelt werden. Rekombinierte Elektron-Loch-Paare verursachten dabei eine Photo­lumineszenz. Diese Photonen erzeugten etwas entfernt wiederum Elektron-Loch-Paare, die Grundlage für einen photo­voltaischen Stromfluss. Mit Perowskit-Zellen, die auf die Nutzung dieses Recycling-Effekt optimiert werden, ließe sich der Wirkungs­grad weiter steigern.

Abb.: Photonen-Recycling in Perowskit-Solarzellen könnten deutliche höhere Wirkungsgrade ermöglichen (künstler. Illustration). (Bild: L. M. Pazos-Outón et al.,  U. Cambridge)

Abb.: Photonen-Recycling in Perowskit-Solarzellen könnten deutliche höhere Wirkungsgrade ermöglichen (künstler. Illustration). (Bild: L. M. Pazos-Outón et al., U. Cambridge)

„Diese Eigenschaft für ein Photonen-Recycling haben andere Materialien wie Silizium einfach nicht“, sagt Luis Miguel Pazos Outón vom Cavendish Laboratory an der Universitsy of Cambridge. Wie sich der Effekt bei Perowskit-Kristallen verhält, analysierte Outón zusammen mit Kollegen der University of Oxford und vom FOM Institute AMOLF in Amsterdam. Dazu beschichteten sie einen Glas­träger mit einer etwa 100 Nanometer dünnen Schicht aus Blei­trijodid-Perowskit. Diese Schicht beleuchteten sie an einem Punkt mit einem Laser, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Über deren Rekombination emittierte die Perowskit­schicht auch abseits des Laserspots Licht. Die lokale Verteilung dieser Photo­lumineszenz analysierten die Forscher mit einem optischen Mikroskop mit etwa 1,5 Mikrometer Auflösung.

In einer Entfernung von bis zu 50 Mikrometern vom anregenden Laserspot entfernt emittierte die Perowskit­schicht Licht mit einer rot­verschobenen Wellen­länge von etwas über 800 Nanometer. Eine Spektral­analyse ergab, das in dem Emissions­spektrum auch kürzere Wellen­längen um 765 Nanometer enthalten waren. Dieses Phänomen erklärten die Forscher mit einem Photonen-Recycling, das mit zunehmenden Abstand vom ursprünglichen Laserspot schwächer wurde. Damit die Ladungen und Photonen relativ weite Strecken im Perowskit-Kristall zurücklegen konnten, schien eine wieder­holte Rekombination der Ladungs­träger mit darauf folgender Licht­emission nicht unwahrscheinlich. Die schon früher beobachtete Ladungs­diffusion über bis zu 175 Mikrometern liefert ein weiteres Indiz für diesen Prozess.

In einem weiteren Versuch fertigten Outón und Kollegen eine komplette Perowskit-Solarzelle. Mit dieser untersuchten sie, ob in den Kristallen auch ein photo­voltaischer Strom abseits des anregenden Laserspots auftreten konnte. Die orts­aufgelöste Messung des Photo­stroms bestätigte diese Annahme und zeigte linear sinkende Werte bis zu einem Abstand von 120 Mikrometern. Eine theoretische Abschätzung zeigte, dass ohne ein Photonen-Recycling kein Photostrom in einem Abstand von mehr als 30 Mikrometern auftreten könnte. Wurde in dem Modell ein Recycling-Prozess berücksichtigt, ließ sich der Verlauf der abfallenden Photo­strom­kurve im Wesentlichen rekonstruieren.

Die erneute Lichtemission von rekombinierten Elektron-Loch-Paaren könnte die erstaunlich hohe Effizienz von Perowskit-Solarzellen erklären helfen. „Dieser Effekt konzentriert viele Ladungs­träger in einem sehr kleinen Volumen“, sagt Outón. Auf der Grundlage ihres theoretischen Modells ließ sich berechnen, dass eine 350 Nanometer dicke Perowskit­schicht dank des Photonen-Recyclings zu einer Verdopplung der internen Photonen-Dichte führen könnte. Entsprechend könnten mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern.

Für die weitere Entwicklung von Perowskit-Solarzellen kann diese Studie wichtige Impulse liefern. Parallel wird an einer Steigerung der Haltbarkeit dieser Zellen gearbeitet. Das australische Unternehmen Dyesol berichtete jüngst von so guten Ergebnisse, um in naher Zukunft eine erste Pilot­fertigung von Perowskit-Solarzellen starten zu können. Entwickler vom Helmholtz-Zentrum Berlin favorisieren den Bau von hybriden Tandem-Zellen aus Perowskit und Silizium, die Wirkungs­grade von bis zu 30 Prozent erreichen sollen.

Jan Oliver Löfken

DE

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