Technologie

Phasenübergang in Solarzellen

14.11.2022 - Neues Konzept für die Trennung von Ladungsträgern in Solarzellen.

Solarzellen weisen einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleiter­materialien auf, der den Ladungsträgern die ideale elektronische Landschaft für ihre Trennung bietet. In Silizium­solarzellen wird dies durch einen p-n-Übergang erreicht. In organischen Solarzellen erhält man einen solchen Heteroübergang beispielsweise durch Mischung zweier Halbleiter­materialien, mit einem Donor und einem Akzeptor. Für neuartige Material­systeme sind diese Methoden jedoch kaum geeignet. Yana Vaynzof am Inte­grated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der Technischen Universität Dresden und und ihr Team zeigten nun, dass ein solcher Heteroübergang in Solarzellen auch völlig anders erzeugt werden kann. Dafür nutzten die Forscher aus, dass manche Materialien in unter­schiedlichen Kristall­formen vorliegen können. Dieses Phänomen der Polymorphie bedeutet, dass ein Material unter­schiedliche Eigen­schaften aufweisen kann, je nachdem wie seine Atome und Moleküle im Kristall­gitter angeordnet sind.

Den Forschenden ist es erstmals gelungen, einen Heteroübergang in Solarzellen zu bilden, in dem sie das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen zusammen­gebracht haben. Um die neue Funktionsweise zu demonstrieren, nutzten sie Cäsium-Blei-Iodid Perowskit – ein effizientes Absorber­material für Solarzellen – in der Beta- und der Gamma-Phase. „Die optischen und elektrischen Eigen­schaften von Cäsium-Blei-Iodid in der Beta- und der Gamma-Phase sind unterschiedlich“ erklärt Vaynzof. „Indem wir Gamma-Cäsium-Blei-Iodid auf der Beta-Phase abscheiden, können wir einen Phasen-Hetero­übergang in Solarzellen realisieren, wodurch die Bauteile wesentlich effi­zienter als jene Solarzellen mit nur einer Phase des Perowskits sind.“

Die Forscher zeigen in ihrer Arbeit, dass die obere Lage aus Gamma-Perowskit die Leistungsfähigkeit der Solarzelle auf verschiedene Arten beeinflusst. „Sehr dünne Schichten des Gamma-Perowskits führen bereits zu einer Leistungs­steigerung, da diese dünne Schicht Defekte der darunter­liegenden Schicht passiviert. Dickere Schichten des Gamma-Perowskits steigern dann jedoch die Leistungsfähigkeit der Solarzelle weiter und erreichen einen Wirkungsgrad von über zwanzig Prozent“ ergänzt Ran Ji. „Fort­schrittliche spektro­skopische Untersuchungen konnten zeigen, dass diese Verbesserung der Leistungs­fähigkeit auf die erhöhte Licht­absorption und eine verbesserte Ausrichtung der elek­tronischen Energie­niveaus zurückzuführen ist.“ fügt Vaynzof hinzu.

Ganz wichtig war dabei, dass die Forscher nachweisen konnten, dass ein solcher Phasen-Heteroübergang auch beim Betrieb der Solarzelle erhalten bleibt und sogar die Ionen­wanderung im Absorber­material herabsetzt, was ein typisches Problem von Perowskit-Solarzellen löst. Um einen solchen Phasen-Hetero­übergang zu realisieren, nutzten die Wissenschaftler unterschiedliche Herstellungs­prozesse für die obere und untere Schicht. Dadurch wird es möglich sein, solche Strukturen auch in Zukunft sehr leicht herzustellen. „Wir hoffen, dass dieses neuartige Konzept und die sehr einfache Herstellung eines solchen Übergangs sich auch auf andere Materialsysteme und Halbleiter­bauteile übertragen lässt“ sagt Vaynzof.

Da Polymorphie auch in vielen anderen Halbleitern bekannt ist, könnte dieses neue Konzept des Phasen-Hetero­übergangs den Weg zu neuen elektronischen Bauteilen und Anwendungen ebnen, die sich mittels einfacher und kosten­günstiger Herstellungs­prozesse auf Basis eines einzigen Material­systems realisieren lassen.

TU Dresden / JOL

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