Erneuerbare Energien Neues Konzept aus Dresden macht Perowskit-Solarzellen noch günstiger

Reine Perowskit-Solarzellen haben zwar (noch) einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad als Zellen auf Silizium-Basis oder sogenannte Tandem-Zellen. Aber die Metallhalogenid-Perowskite haben dennoch großes Potenzial für Solarzellen und andere optoelektronische Anwendungen, denn sie lassen sich preisgünstig und mit minimalem Energieaufwand herstellen. In den letzten Jahren boomt deshalb die Forschung an dieser Materialklasse, in Tausenden Forschungsarbeiten weltweit spielt das Thema eine Rolle.

Von der TU Dresden kommt nun eine weitere zukunftsträchtige Forschungsarbeit hinzu, die in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Energy" veröffentlicht wurde. Eine Gruppe um Yana Vaynzof, Professorin für Neuartige Elektroniktechnologien, hat gezeigt, dass man einen entscheidenden Prozess in der Perowskit-Solarzelle ganz anders gestalten und damit den Wirkungsgrad verbessern kann.

Durch Absorption von Sonnenlicht entstehen im jeweils verwendeten Material einer Solarzelle Paare von Ladungsträgern, die zu unterschiedlichen Polen geleitet werden müssen, um den elektrischen Stromfluss zu ermöglichen. Dafür müssen Solarzellen einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien aufweisen, der den Ladungsträgern die Trennung ermöglicht. In Silizium-Solarzellen wird das durch Bereiche im Material erreicht, die unterschiedlich dotiert sind und einen sogenannten p-n-Übergang bilden. In organischen Solarzellen tut das eine Mischung zweier Halbleitermaterialien, mit einem sogenannten Donor und einem Akzeptor.

Yana Vaynzof und ihr Team zeigten nun, dass ein solcher Hetero-Übergang in Solarzellen auch völlig anders erzeugt werden kann, nämlich mit nur einem Ausgangsmaterial. Dafür nutzte die Forschungsgruppe aus, dass manche Materialien in unterschiedlichen Kristallformen (Phasen) vorliegen können. Dieses Phänomen der Polymorphie bedeutet, dass ein Material unterschiedliche Eigenschaften aufweist, je nachdem wie seine Atome und Moleküle im Kristallgitter angeordnet sind.

künstlerische Illustration des Phasen-Hetero-Übergangs Bildrechte: PIXELWG / Jörg Bandmann

Dem Dresdner Team ist es erstmals gelungen, einen Hetero-Übergang in Solarzellen mit nur einem Material zu bilden, in diesem Fall das Perowskit Cäsium-Blei-Iodid, das sie in zwei unterschiedlichen Phasen zusammenbrachten.
"Indem wir Gamma-Cäsium-Blei-Iodid auf der Beta-Phase abscheiden, können wir einen Phasen-Hetero-Übergang in Solarzellen realisieren, wodurch die Bauteile wesentlich effizienter als jene Solarzellen mit nur einer Phase des Perowskits sind", stellt Yana Vaynzof zufrieden fest.

Und Ran Ji, Erstautor der neuen Studie fügt hinzu: "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 20 Prozent."

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.

Für den erfolgreichen Phasen-Hetero-Übergang nutzte das Team unterschiedliche Herstellungsprozesse für die obere und untere Schicht. Solche Strukturen auch in Zukunft sehr leicht herzustellen, sei möglich.
"Wir hoffen, dass dieses neuartige Konzept und die sehr einfache Herstellung eines solchen Übergangs sich auch auf andere Materialsysteme und Halbleiterbauteile übertragen lässt", sagt Yana Vaynzof.

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

(rr)