Effiziente bleifreie Solarzellen in Sicht
Fotovoltaische Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden, wandeln Licht in Strom um. Die am weitesten verbreiteten Siliziumsolarzellen werden bereits seit den 1950ern hergestellt. Die Fertigung dieses Zelltyps gestaltet sich jedoch schwierig und energieintensiv. Mit einer neueren Version sollten diese Probleme endlich gelöst werden. Die seit 2009 zur Verfügung stehenden Perowskitsolarzellen sind nach dem Mineral benannt. Aus technischer Sicht weist das Mineral eine bestimmte kristalline Struktur auf, die vielen Materialien zu eigen sein kann. Deshalb bezieht sich die Bezeichnung Perowskit im Solarzellensektor auf diese Struktur und nicht auf das Mineral. Perowskitsolarzellen sind elektrisch leistungsfähig und dabei gleichzeitig einfach und kostengünstig zu fertigen. Aufgrund ihrer zahlreichen eindeutigen Vorteile gegenüber der etablierten Solarzellentechnik entwickelten sich die Perowskitzellen schnell weltweit zum vielversprechendsten neuen Solarzelltyp. Leider enthalten diese Zellen auch giftiges Blei, das schon bald nicht mehr in der Elektronikfertigung verwendet werden soll. Die Solarzellenforschung ist nun auf der Suche nach alternativen Perowskiten.
Doppelperowskite im Visier
Das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte EU-finanzierte Projekt PhotSol hat derartige Alternativen erforscht. Das Team untersuchte bleifreie Perowskite, darunter auch ein sogenanntes Doppelperowskit. Der elektrische Wirkungsgrad dieser Materialien ist jedoch immer noch gering. Deshalb unternahm das PhotSol-Forschungsteam Versuche zur Verbesserung ihres Wirkungsgrads, indem Engpässe aufgespürt und beseitigt wurden, welche die Leistung auf extrem komplizierte Weise beeinträchtigen und als Verlustmechanismen bezeichnet werden. Engpässe werden häufig durch Defekte im Material verursacht. Als Defekte können Kristallfehlbildungen oder Verunreinigungen auffallen. Auch Oberflächen und Grenzflächen können Fehlerquellen sein. „Wenn wir erst einmal herausgefunden haben, welche Art des Defekts das Leistungsverhalten einschränkt“, erläutert Wolfgang Tress, leitender Projektforscher, „dann können wir bei der Bauelementefertigung gezielt gegen diesen Defekt vorgehen. Tragen zum Beispiel die Grenzflächen die Hauptschuld, wie es bei Solarzellen oft der Fall ist, könnten Passivierungsschichten oder der Austausch von Grenzflächenschichten die Defektdichte verringern.“
Rückschläge – und ein neuer Vorstoß
Auch wenn das Team mit Erfolg die Engpässe eines Doppelperowskit-Solarzellentyps dokumentieren konnte, hatte dieses Material kein ausreichendes Potenzial für den Einsatz als effiziente Solarzelle zu bieten. Die Arbeit des Teams war außerdem nur schwer reproduzierbar, wobei dieses Problem in der Perowskitforschung keine Seltenheit ist. Daher hat das Konsortium diese Richtung aufgegeben und wird nun ähnliche, aber neuere Materialien überprüfen. Dennoch lieferte die Studie nützliche Charakterisierungsprotokolle. „Während der Charakterisierung gelang uns eine völlig neue Entdeckung“, fügt Tress hinzu. „Erstmalig ist es uns gelungen, das Elektrolumineszenzspektrum zu messen.“ Dies gelingt, indem die Solarzelle als Leuchtdiode betrieben wird, zunächst ein Strom angelegt und dann die Emission detektiert wird. Auch wenn das Signal erwartungsgemäß sehr schwach war, unterschied sich das Spektrum überraschenderweise von dem der Photolumineszenz. Die Elektrolumineszenz- und Photolumineszenzspektren sind bei Bleiperowskiten normalerweise identisch. Die Ursache für den hier festgestellten Unterschied ist noch unbekannt, aber das Team wird sie mit Begeisterung erforschen. Das PhotSol-Forschungsteam wird weiterhin neue Fotovoltaiktechnologien entwickeln und sich dabei auf das Verständnis der physikalischen Gegebenheiten der Bauelemente konzentrieren, um deren Design zu verbessern. Zu diesem Zweck hat Tress Finanzmittel vom Europäischen Forschungsrat in Form eines ERC Starting Grant erhalten. Im Endeffekt wird die Arbeit zur Entwicklung von tatsächlich effizienten und bleifreien Solarzellen beitragen. Diese werden, sobald sie zur Verfügung stehen und flächendeckend installiert werden, die Abhängigkeit unserer Welt von fossilen Brennstoffen verringern sowie die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren.
Schlüsselbegriffe
PhotSol, Solarzellen, Perowskit, bleifrei, Fotovoltaik, Doppelperowskit
