Wichtiger Prozess in neuem Typ von Solarzellen verstanden

Zu den großen Durchbrüchen in 2013 hat das Magazin Science Solarzellen auf Perowskit-Basis gezählt: In nur wenigen Jahren hat sich der Wirkungsgrad solcher Zellen von nur drei auf jetzt über 16 Prozent gesteigert. Doch es gibt wesentliche Unterschiede zu konventionellen Solarzellen, insbesondere war bislang noch nicht gut verstanden, wie hier die zentralen Prozesse genau ablaufen: Von der Absorption des Lichts über die Ladungstrennung im Inneren des Materials bis hin zum Ladungstransport entlang der Oberfläche. Diesen letzten Prozess konnten nun drei Teams aus der Ecole polytechnique fédérale in Lausanne (EPFL) und dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe aufklären. Sie untersuchten dafür Solarzellen auf Perowskit-Basis mit unterschiedlichen Architekturen. Ihre Ergebnisse könnten das gezielte Design noch leistungsstärkerer Perowskit-Solarzellen ermöglichen. Die Arbeit wurde am 19. Januar online in Nature photonics veröffentlicht.

Die Teams um Michael Grätzel und Jaques E. Moser am EPFL haben mit der Gruppe um Roel van de Krol am HZB-Institut für Solare Brennstoffe zusammengearbeitet.  Mit  Zeit-aufgelösten Spektroskopie Methoden wie der ultraschnellen Laserspektroskopie und der Mikrowellenphotoleitfähigkeit konnten sie bestimmen, wie sich Ladungsträger entlang von Perowskit-Oberflächen bewegen und rekombinieren.

Sie untersuchten diese Prozesse mit verschiedenen Zell-Architekturen: Dabei nutzten sie halbleitendes Titan-Dioxid  oder isolierende Aluminium-Trioxid-Schichten als poröse Trägerstrukturen. Sie imprägnierten diese porösen Strukturen mit Blei- und Jodhaltigem Perowskit  (CH3NH3PbI3)  sowie einem organischen Material, das für den Transport von „Löchern“ sorgte.

Mit den zeitaufgelösten Messungen konnten sie zwei Phänomene genau vermessen, die für den Wirkungsgrad der Zelle entscheidend sind: die Ladungstrennung und ihre Rekombination. Die Ladungstrennung wird durch das einfallende Licht im Perowskit ausgelöst. Messungen mit ultraschneller Laserspektroskopie an der EPFL zeigten, dass diese Ladungstrennung  extrem rasch abläuft, in weniger als einer Pikosekunde. Die Rekombination von Ladungsträgern ist dagegen ein unerwünschter Vorgang, weil sie den Wirkungsgrad der Solarzelle vermindert. „Dieser Prozess der Rekombination findet in Architekturen mit Titandioxid deutlich langsamer statt als in solchen mit Aluminiumtrioxid. Das haben wir durch die Messung der Mikrowellenphotoleitfähigkeit ermitteln können“, erklärt Dennis Friedrich aus der Gruppe um van de Krol.

Die Ergebnisse zeigen, dass in Perowskit-Solarzellen der Ladungstransfer ultraschnell und effizient stattfinden kann und dass Architekturen, die auf einer Kombination von Titandioxid und Lochleitungsschicht basieren, deutlich besser geeignet sind, um die Rekombination zu unterdrücken. 

Mehr Informationen:
Nature photonics 'Unraveling the mechanism of photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells'   doi:10.1038/nphoton.2013.374