Prognose des Wirkungsgrads von Solarzellen mit Terahertz- und Mikrowellenspektroskopie
Im Femtosekunden-Laserlabor von Dr. Dennis Friedrich (HZB) kann der Ladungstransport in Halbleitern mit Teraherz- und Mikrowellen Spektroskopie untersucht werden. Dafür generieren Laserpulse zuerst Ladungsträger im Material, welche dann proportional zu ihrer Mobilität langwellige Strahlung (Terahertz oder Mikrowellen) absorbieren. © HZB
Viele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungseinrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebensdauer der Ladungsträger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungsgrad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.
Zu den wichtigsten Materialeigenschaften eines Halbleiters, der als Solarzelle verwendet werden soll, zählen Mobilität und Lebensdauer von Elektronen und „Löchern“. Beide Größen lassen sich kontaktlos mit Hilfe von spektroskopischen Methoden mit Terahertz- bzw- Mikrowellenstrahlung messen. Allerdings unterscheiden sich die Messdaten aus der Literatur oft um Größenordnungen, so dass es schwierig war, daraus zuverlässige Berechnungen abzuleiten.
Referenzproben gemessen
„Diesen Unterschieden wollten wir auf den Grund gehen“, sagt Dr. Hannes Hempel aus dem HZB-Team um Dr. Thomas Unold. Dafür haben die HZB-Physiker Fachleute aus insgesamt 15 internationalen Laboren eingebunden und gemeinsam mit ihnen typische Fehlerquellen und Probleme der Messungen analysiert. Jedes Labor erhielt Referenzproben mit der auf Stabilität optimierten Perowskit-Halbleiterverbindung (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3). Die Proben wurden von Dr. Martin Stolterfoht an der Universität Potsdam produziert.
Präzise Daten für die Prognose
Ein Ergebnis der gemeinsamen Arbeit ist die deutlich präzisere Ermittlung der Transporteigenschaften mit Terahertz- bzw Mikrowellenspektroskopie „Wir wissen nun, worauf wir im Vorfeld der Messungen achten müssen und kommen so zu deutlich besser übereinstimmenden Werten“, betont Hempel.
Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich mit diesen zuverlässigen Messdaten und einer weiter-entwickelten Analyse auch die Kennlinien der Solarzelle präziser berechnen lassen. „Wir glauben, dass diese Analyse für die Photovoltaik-Forschung von großem Interesse ist, weil sie den maximal möglichen Wirkungsgrad des Materials in einer Solarzelle vorhersagt und den Einfluss verschiedener Verlustmechanismen, wie Transportbarrieren, offenlegt“, sagt Unold. Dies gilt nicht nur für die Materialklasse der Perowskit-Halbleiter, sondern auch für andere neue halbleitende Materialien, die sich so rasch auf ihre mögliche Eignung überprüfen lassen.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.