Metallhalogenid-Perowskite sind auf großes Interesse als Halbleiter der nächsten Generation für die Solarenergieumwandlung gestoßen. Seit der ersten Demonstration eines Wirkungsgrades von 3,8 Prozent im Jahr 2009 sind diese rapide gestiegen und hochmoderne Perowskit-Solarzellen weisen Wirkungsgrade von über 25 Prozent auf, nahe den Rekordwirkungsgraden der Silizium-Photovoltaik. Dieses schnelle Wachstum während des letzten Jahrzehnts wirft die Frage auf, ob Perowskit-Solarzellen in der Lage sein werden, die thermodynamische Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen, die bei 34 Prozent liegt. Um diesem Ziel näher zu kommen, muss die Solarzelle nicht nur ein guter Lichtabsorber, sondern auch ein guter Lichtemitter sein.
Forscher der TU Dresden gelang es jetzt, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in Korea die wichtige Rolle des Photonen-Recyclings aufzuzeigen. Wenn ein Photon in reabsorbierende Halbleiter wie Perowskite eingestrahlt wird, kann es vom Emitter selbst wieder absorbiert werden und durch Photolumineszenz ein neues Photon erzeugen. Obwohl dieses Phänomen bereits von mehreren Forschungsgruppen nachgewiesen wurde, konnte sein praktischer Beitrag zur Effizienz von Perowskit-Solarzellen bisher nicht ermittelt werden. Das Team demonstrierte nun, dass Photonenrecycling und Lichtstreuungseffekte die Lichtemissionseffizienz um einen Faktor von etwa fünf verbessern, wodurch die Photospannung von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessert wird.
Diese Arbeit zeigt somit die praktischen Vorteile des Photonenrecyclings in Perowskit-Solarzellen auf. „Perowskite sind bereits gute Absorber. Jetzt ist es an der Zeit, ihre Lichtemissionsfähigkeit zu verbessern, um ihre bereits hohen Leistungsumwandlungseffizienzen noch weiter zu steigern“, sagt Changsoon Cho von der TU Dresden. „Das Verständnis des Photonenrecyclings ist ein entscheidender Schritt in diese Richtung.“ Es ist damit äußerst wahrscheinlich, dass der Beitrag des Photonenrecyclings zusammen mit der Unterdrückung verschiedener optoelektrischer Verluste in Zukunft zu einer weiteren Leistungssteigerung führen wird. Die obere Grenze für den Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen steigt mit Hilfe des Photonenrecyclings von 29,2 auf 31,3 Prozent.
Mit den vorliegenden grundlegenden Erkenntnissen über die Rolle des Photonenrecyclings biete sich die Möglichkeit, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern, so die Forscher. Tatsächlich motivieren die Verbesserungen des Potenzials von Perowskit-Solarzellen dazu, die Kommerzialisierung dieser Technologie weiter voranzutreiben. „Unsere Forschung zeigt das Potenzial der Technologie“, sagt Karl Leo von der TU Dresden. „Aber es sind noch viele weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, bevor die Technologie in die Massenproduktion gehen kann.“
TU Dresden / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
C. Cho et al.: Effects of photon recycling and scattering in high-performance perovskite solar cells, Sci. Adv. 7, eabj1363 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abj1363 - Optoelektronik (K. Leo), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, Institut für angewandte Physik, Technische Universität Dresden
