Quantenausbeute von Perowskit-Schichten

Photovoltaik trägt wesentlich zu einer nachhaltigen Energie­versorgung bei. Entscheidend für den Wirkungsgrad von Solar­zellen ist das eingesetzte Material. Metall-Halid-Perows­kite gelten als besonders vielver­sprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Mit diesen Halbleitern ist in den vergangenen Jahren eine deutliche Effizienz­steigerung gelungen: Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5 Prozent erreicht – nicht mehr weit entfernt von dem der marktdominierenden Silizium-Solarzellen. Zudem sind die für Perowskit-Solarzellen benötigten Ausgangs­materialien reichlich vorhanden, die Solarzellen lassen sich einfach und günstig herstellen und vielseitig einsetzen. Der bei Perowskit-Solar­zellen theoretisch erreich­bare Wirkungsgrad liegt bei etwa 30,5 Prozent.

Um diesem Wirkungsgrad nahezu­kommen, muss die opto­elektronische Qualität der Perowskit-Halbleiter weiter steigen. Grund­sätzlich gilt, dass für die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient über Photo­lumineszenz wieder emittieren sollen. Die Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute ist damit hervor­ragend geeignet, die Qualität der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen. Forscher am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Lichttechnischen Institut des KIT haben nun gemeinsam mit Wissen­schaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Univer­sität Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt.

Eine wichtige Rolle bei der Berechnung der Photo­lumineszenz-Quanten­­ausbeute spielt der Anteil des Photonen-Recyclings, der Reemission von reab­sorbierten Photonen. „Unser Modell erlaubt, die Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute unter Sonnen­einstrahlungs­bedingungen exakter als bisher zu ermitteln“, erklärt Paul Faßl. „Dabei kommt es auf das Photonen-Recycling an, das heißt auf den Anteil der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der dünnen Schichten reab­sorbiert und wieder reemittiert wird.“ Die Forscher wandten ihr Modell auf Methylammonium­bleitriiodid (CH₃NH₃PbI₃) an, einem der Perowskite mit der höchsten Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute. Diese wurde bisher auf rund neunzig Prozent geschätzt, beträgt aber nach den Modell­berechnungen etwa 78 Prozent.

Wie die Wissenschaftler erläutern, berück­sichtigten die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und unterschätzten daher die Wahrschein­lichkeit, dass Photonen aus der Schicht entweichen, bevor sie reab­sorbiert werden. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial für die Optimierung dieser Materialien deutlich höher ist als bisher angenommen“, sagt Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photo­voltaics. Das Forschungs­team stellt eine Open-Source-Anwendung bereit, mit der sich die Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute verschiedener Perowskit-Materialien anhand ihres Modells berechnen lässt.

KIT / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Fassl et al.: Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling, Matter, online 17. Februar 2021; DOI: 10.1016/j.matt.2021.01.019
• Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe