Forschung

Perowskit-Solarzellen mit höherer Leerlaufspannung

30.01.2019 - Neuer Rekord bildet eine Grundlage für bessere Wirkungsgrade.

Wissen­schaftlern des Forschungs­zentrums Jülich ist es gelungen, die Leerlauf­spannung von Perowskit-Solar­zellen auf einen Rekordwert von 1,26 Volt zu erhöhen. 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. Perowskit-Solar­zellen gelten als große Hoffnungs­träger der Photo­voltaik. Sie können günstig mit verschiedenen Druck­verfahren hergestellt werden und erreichen im Labor schon nach wenigen Jahren Forschung einen ähnlichen Wirkungs­grad wie die industriell am weitesten verbreiteten Solar­zellen aus kristallinem Silizium. Der Labor-Wirkungs­grad von Perowskit-Solar­zellen liegt inzwischen über zwanzig Prozent, während die besten Silizium-Solar­zellen eine Effizienz von über 26 Prozent erzielen.

Die Leerlauf­spannung ist für Forscher und Entwickler deshalb so interessant, weil sie anzeigt, wie viel Energie innerhalb der Zelle durch Rekom­binations­prozesse verloren geht. Solar­zellen absorbieren Photonen, was zur Anregung von Ladungs­trägern führt. So entstehen freie, bewegliche Ladungs­träger, die zu einem elektrischen Stromfluss beitragen können. Die angeregten Zustände bestehen allerdings nur für kurze Zeit, da die Ladungs­träger rekom­binieren. Wie lange angeregte, bewegliche Ladungs­träger erhalten bleiben, ist unter anderem von den verwendeten Materia­lien und Grenz­flächen abhängig, die sich mit unter­schiedlichen Fertigungs­techniken herstellen lassen.

Die Bandlücke wirkt sich ebenfalls auf die Leerlauf­spannung aus, was die Effizienz in der Regel aber nicht erhöht. Deshalb 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.

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 Wissen­schaftler vom Jülicher Institut für Energie- und Klima­forschung (IEK-5) konnten nun zeigen, 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. Bis zur Anwendungs­reife ist es allerdings noch ein weiter Weg, die aktuelle Generation von Perowskit-Solar­zellen hat noch einige Probleme mit der Langzeit­stabilität.

FZJ / JOL

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