Technologieforum Laser Photonik

Ein neues Konzept für Solarzellen

In einer photovoltaischen Zelle entstehen durch Absorption von Sonnenlicht im Material Paare von Ladungsträgern, die zu unterschiedlichen Polen der Solarzelle geleitet werden müssen, um den elektrischen Stromfluss zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, müssen Solarzellen einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien aufweisen. In Siliziumsolarzellen wird dies durch Bereiche im Material erreicht, die unterschiedlich dotiert sind und einen p-n-Übergang bilden. In organischen Solarzellen erreicht man einen solchen Heteroübergang beispielsweise durch Mischung zweier Halbleitermaterialien, mit einem Donator und einem Akzeptor.

Ein Material – Zwei Phasen

Professor Yana Vaynzof und ihr Team von der Technischen Universität Dresden 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 (Phasen) 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. Dem Team ist es gelungen, einen Heteroübergang in Solarzellen zu bilden, indem sie das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen zusammengebracht haben. Um die neue Funktionsweise zu demonstrieren, nutzten die Forscher Cäsium-Blei-Iodid Perowskit – ein effizientes Absorbermaterial für Solarzellen.
„Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Cäsium-Blei-Iodid in der Beta- und der Gamma-Phase sind unterschiedlich“, erklärt Professor 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.“

Ursachen des hohen Wirkungsgrads

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 sollen bereits zu einer Leistungssteigerung führen, da diese dünne Schicht Defekte der darunterliegenden Schicht passiviert. Dickere Schichten des Gamma-Perowskits sollen dann jedoch die Leistungsfähigkeit der Solarzelle weiter steigern und erreichen einen Wirkungsgrad von über 20 %, erklären die Wissenschaftler. „Fortschrittliche spektroskopische Untersuchungen konnten zeigen, dass diese Verbesserung der Leistungsfähigkeit auf die erhöhte Lichtabsorption und eine verbesserte Ausrichtung der elektronischen Energieniveaus zurückzuführen ist“, fügt Professor Vaynzof hinzu.

Um einen solchen Phasen-Heteroübergang zu realisieren, nutzten die Wissenschaftler unterschiedliche Herstellungsprozesse. Es soll zudem möglich werden, solche Strukturen in Zukunft sehr leicht herzustellen. 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.

Originalpublikation:
[Ji, R., Zhang, Z., Hofstetter, Y.J. et al. Perovskite phase heterojunction solar cells. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01154-y, DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y]

Quelle: tu-dresden.de

Bild: Pixelwg, Jörg Bandmann



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