Effizienz von Perowskit-Solarzellen gesteigert
Jülicher Wissenschaftler haben Leerlaufspannung auf einen Rekordwert von 1,26 Volt erhöht
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Perowskit-Solarzelle leuchtet unter Strom (Foto: fz-juelich.de, Daniel Weigand) |
Jülich (pte009/28.01.2019/10:30) Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich http://fz-juelich.de haben die sogenannte Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen auf einen Rekordwert von 1,26 Volt erhöht. Der Wert gilt als Schlüssel zur Verbesserung des Wirkungsgrads. Er zeigt an, wie viele elektrische Ladungsträger in der Zelle vorhanden sind, wenn Licht auf die Zelle fällt, und ist damit direkt proportional zu der erreichbaren Leistung der Zelle.
Materialbeschaffenheit wichtig
Der Labor-Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen liegt inzwischen bei über 20 Prozent, während die besten Silizium-Solarzellen eine Effizienz von mehr als 26 Prozent erzielen. Die Leerlaufspannung zeigt an, wie viel Energie innerhalb der Zelle durch Rekombinationsprozesse verloren geht. Solarzellen absorbieren "Lichtteilchen", genannt Photonen, was zur Anregung von Ladungsträgern, beispielsweise Elektronen, führt. So entstehen freie, bewegliche Ladungsträger, die zu einem elektrischen Stromfluss beitragen können. Die angeregten Zustände bestehen allerdings nur für kurze Zeit. Fällt ein Ladungsträger von dem angeregten in den Normal-Zustand zurück, spricht man von Rekombination.
Wie lange angeregte, bewegliche Ladungsträger erhalten bleiben, ist auch von den Materialien und den Grenzflächen abhängig, die sich verschiedenartig herstellen lassen. Die Energie, die zur Anregung der Elektronen mindestens nötig ist, die sogenannte Bandlücke, wirkt sich ebenfalls auf die Leerlaufspannung aus, was die Effizienz meist aber nicht erhöht. Daher müssen Leerlaufspannungen immer relativ zur Bandlücke des Halbleiters verglichen werden. Bei höheren Bandlücken steigt zwar die Leerlaufspannung, aber es werden auch weniger Photonen absorbiert. Der bisherige Höchstwert für die Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen mit der meistens verwendeten Bandlücke von 1,6 Elektronenvolt lag bei 1,21 Volt.
1,32 Volt theoretisch möglich
Bislang war unklar, wie weit sich die Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen noch steigern lässt. Das theoretische Maximum liegt bei der momentan verwendeten Bandlücke bei 1,32 Volt. Die Jülicher Forscher haben nun gezeigt, dass die erzielbare Spannung prinzipiell nicht durch die beidseitig angrenzenden Kontaktmaterialien limitiert ist. Die Qualität der Schichten und Grenzflächen in ihrer Zelle ist hinsichtlich der Rekombination ähnlich hoch wie die von Zellen aus Silizium und Galliumarsenid, die sich nur mit extrem aufwendigen Methoden bei hohen Temperaturen herstellen lassen. Das zeigt, dass druckbare Photovoltaik und Optoelektronik das Potenzial hat, langfristig ähnlich effiziente optoelektronische Bauelemente wie mit klassischen Halbleitermaterialien zu realisieren.
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