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Perowskite für die Solarenergie
Vor rund sieben Jahren tauchte ein neues Material zur Umwandlung von Sonnenenergie auf: Perowskit. Aufgrund der Zusammensetzung und Gitterstruktur verfügen Perowskite über bemerkenswerte Eigenschaften wie eine gute Absorption des Lichts im sichtbaren Spektrum, eine gute Ladungsträgermobilität, die für die Gewinnung von Strom zentral ist, sowie eine einfache Verarbeitbarkeit und Synthese.
Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)
Dank der einfachen Verarbeitbarkeit von Perowskiten können ihre Eigenschaften so angepasst werden, dass sie eine optimale Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie gewährleisten. In einer konkreten Anlage müssen elektrische Ladungen (Elektronen und Elektronenlöcher) über Kontaktflächen mit anderen Materialien und insbesondere mit dem kostengünstigen, gut verfügbaren Titanoxid mit möglichst wenig Verlust transportiert werden. Die Beschreibung des Transports von Ladungen über Grenzflächen ist deshalb von besonderer Bedeutung. Überdies ist die Lebensdauer einer Photovoltaikzelle ein wichtiges Verkaufsargument, und Perowskite müssen diesbezüglich noch optimiert werden.
Zielsetzung
Ziel des Projekts war es, den Wirkungsgrad und die Stabilität von Photovoltaikzellen auf der Basis von Perowskiten über eine verbesserte Synthese zu erhöhen und die Zellen auf atomarer Ebene mit modernsten experimentellen und theoretischen Verfahren genau zu charakterisieren. Ein weiteres Ziel war die Optimierung des Wirkungsgrads der Sonnenenergieumwandlung und der Photostabilität von Perowskit-Photovoltaikzellen.
Resultate
Während des Projekts wurde ein rekordhoher Wirkungsgrad (etwa 21 %) erreicht, der inzwischen überboten wurde. Um die Stabilität der Zelle zu verbessern, wurde eine Grenzflächentechnik mit niederdimensionalen Perowskiten entwickelt. Bei der Charakterisierung wurden neue Verhaltensweisen von Ladungen entdeckt, die den Weg für neuartige Anwendungen von Perowskiten für lichtemittierende Bausteine ebnen könnten. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse zur Wanderung von Ladungen in Materialien geben Hinweise darauf, wie der Wirkungsgrad und die Stabilität von Perowskit-Photovoltaikzellen verbessert werden könnten. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Nachweis einer Methode zur Grenzflächenbehandlung und zum Wachstum niederdimensionaler Perowskit-Strukturen zwecks Verbesserung des Wirkungsgrads und der Stabilität von Photovoltaikzellen;
- Charakterisierung des Ladungsverhaltens von organisch-anorganischen Perowskit-Monokristallen unter kurzen Strahlungsimpulsen. Hinweise auf neue Quasiteilchen bei hoher Fluenz und präzise Bestimmung der effektiven Masse von Elektron und Loch;
- Entwicklung einer neuartigen experimentellen Methode zur Beobachtung des Elektronentransports über Grenzflächen;
- Berechnungen von effektiven Massen, die weitgehend mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen;
- Klärung des Ursprungs der Verschiebung der Bandlücke mit der Temperatur und der dualen Emission.
Bedeutung
Bedeutung für die Forschung
Zweifellos sind die gewonnenen Einsichten für die Forschung von grosser Bedeutung. Die Entdeckung der Mahan-Exzitonen ist ein Meilenstein, ebenso die aus den Berechnungen resultierenden Erkenntnisse.
Bedeutung für die Praxis
Die nachgewiesene neuartige Methode zur Grenzflächenbehandlung und die Verwendung niederdimensionaler Perowskite dürften eine verbesserte Stabilität und einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen.
Originaltitel
Preparation and characterization of high efficiency hybrid organic-inorganic thin film solar cells