Revolutionäre Solarenergie mit Perowskiten
Jahrzehntelange Forschung hat ergeben, dass die genaue Effizienz von Solarzellen bei der Umwandlung von Energie durch eine absolute theoretische Grenze, die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze, beschränkt ist. Bei einzelnen optimierten Halbleiterübergängen liegt die höchstmögliche Umwandlungseffizienz bei nur knapp über 30 %. Um die Herstellung von Solarzellen mit höheren Wirkungsgradgrenzen zu ermöglichen, müssen neue Konzepte umgesetzt werden, mit denen sich die grundlegenden Einschränkungen von Einfachsolarzellen bei der Energieumwandlung überwinden lassen. Technologien auf Grundlage der Singulett-Spaltung stecken zwar noch in den Kinderschuhen ihrer Entwicklung, sind jedoch bereits jetzt vielversprechend. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SOLAR BEYOND SILICON untersuchten Wissenschaftler verschiedene Möglichkeiten, um mit Perowskit-Solarzellen einen ähnlich hohen Wirkungsgrad zu erreichen wie mit Silikon, der derzeit marktführenden Technologie. Singulett-Spaltung: Grundstein für einen höheren Wirkungsgrad von Solarzellen Bei allen Einfachsolarzellen tritt ein wesentlicher Energieverlustmechanismus auf: die Thermalisierung. „Genau wie bei der Absorption von energiearmen Photonen entsteht auch bei der Absorption eines energiereichen Photons ein Elektron-Loch-Paar“, erklärt Professor Richard Friend. „Die überschüssige Photonenenergie oberhalb der Bandlücke geht durch die thermische Relaxation verloren, was zur Shockley-Queisser-Grenze führt, die den Wirkungsgrad einer idealen Halbleiterzelle auf rund 30 % beschränkt.“ Durch die Singulett-Exziton-Spaltung lässt sich diese Grenze durchbrechen, da keine Relaxationsverluste auftreten. Bei diesem Vorgang entsteht durch die optische Anregung eines spaltbaren Materials mit einem energiereichen Photon ein Spin-Singulett-Exziton, das einen spinerhaltenden Prozess erfahren kann, um zwei Triplett-Exzitonen zu erzeugen, die jeweils etwa die Hälfte der Energie tragen. Werden diese in ein Zweitmaterial (z. B. ein Perowskit) eingebunden, das die energieschwächeren Photonen absorbiert und die Triplett-Exzitonen dissoziiert, kann die Solarzellenvorrichtung die Wirkungsgradgrenze überschreiten. Um die Beschränkungen von Einfachsolarzellen zu überwinden, setzte das Projektteam auf bestimmte einzigartige Eigenschaften organischer Halbleiter. So kombinierten die Wissenschaftler die Singulett-Spaltung in organischen Halbleitern, wie z. B. Pentacen oder Tetracen, mit bestimmten Perowskiten mit geringer Bandlücke. „Im Verlauf des Projekts konnten wir zum einen belegen, dass mit diesen Materialien die Herstellung kostengünstiger, hocheffizienter Solarzellen möglich wäre, und konnten zum anderen einen Ladungstransfer an der Grenze zwischen diesen Materialien nachweisen“, so Projektforscher Dr. Sam Stranks. Dieser Ansatz wird durch bestimmte Vorgänge beschränkt, unter anderem durch die Ionenmigration in Materialien unter Beleuchtung. Die Projektarbeit ermöglichte durch die erstmalige Visualisierung der Ionenmigration ein umfassenderes Verständnis dieser Thematik und brachte völlig neue Passivierungsansätze hervor, um diesen und weitere parasitäre Effekte abzuschwächen. Damit steht nun eine Plattform zur Verfügung, durch die Perowskit-Solarzellen bald leistungsfähiger werden könnten als Silikon. SOLAR BEYOND SILICON förderte darüber hinaus das Verständnis von Rekombination, Ionenmigration und weiteren Verlustvorgängen in Perowskiten. Es wurden insgesamt 22 begutachtete Fachartikel und Berichte mit Beiträgen der wissenschaftlichen Gemeinschaft veröffentlicht. Einer dieser Artikel berichtete über den erstmaligen Nachweis einer indirekten Bandlücke von Metall-Halid-Perowskiten. Er erschien im Oktober 2016 in „Nature Materials“ und erregte mit der Aussicht auf neue, reizvolle Richtungen auf diesem Gebiet großes Aufsehen.
Schlüsselbegriffe
SOLAR BEYOND SILICON, Perowskite, Einfachsolarzellen, Solarenergie, Shockley-Queisser-Grenze, organische Halbleiter