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Montag, 10 Mai 2021 11:59

Perowskit-Schichten genau beleuchtet

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Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Perowskit-Solarzellen haben beim Wirkungsgrad gegenüber Silzium-Solarzellen deutlich aufgeholt – einige ihrer Eigenschaften sind aber noch nicht vollständig verstanden Perowskit-Solarzellen haben beim Wirkungsgrad gegenüber Silzium-Solarzellen deutlich aufgeholt – einige ihrer Eigenschaften sind aber noch nicht vollständig verstanden Markus Breig, KIT

Metall-Halid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Dafür wurde ein neues Modell zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute entwickelt.

Metal-halide perovskites are considered particularly promising materials for next-generation solar cells. For this purpose, a new model for determining the photoluminescence quantum yield was developed.

Wie gut geeignet ein Halbleiter für die Anwendung in der Photovoltaik ist, lässt sich unter anderem an der sogenannten Photolumineszenz-Quantenausbeute erkennen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals exakt bestimmen lässt. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Matter [1].

Photovoltaik trägt wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei. Entscheidend für den Wirkungsgrad von Solarzellen, die Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, ist das eingesetzte Material. Metall-Halid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Die Halbleiter verdanken ihren Namen der speziellen Perowskit-Kristallstruktur. Mit ihnen ist in den vergangenen Jahren eine deutliche Effizienzsteigerung gelungen: Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5 % erreicht – und liegen damit im oberen Bereich von dem, was mit aktuell marktdominierenden Silizium-Solarzellen ohne Konzentrator-Technologie erreichbar ist [2].  Eine wichtige Rolle bei der Berechnung der Photolumineszenz-Quantenausbeute spielt der Anteil des sogenannten Photonen-Recyclings, der Reemission von reabsorbierten PhotonenEine wichtige Rolle bei der Berechnung der Photolumineszenz-Quantenausbeute spielt der Anteil des sogenannten Photonen-Recyclings, der Reemission von reabsorbierten Photonen

Der mit Perowskit-Solarzellen theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei ca. 30,5 %. Zudem sind die für Perowskit-Solarzellen benötigten Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden – die Solarzellen lassen sich einfach und günstig herstellen und vielseitig einsetzen.

Um dem genannten theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad nahezukommen, muss die optoelektronische Qualität der Perowskit-Halbleiter weiter steigen. Grundsätzlich gilt, dass für die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient wieder emittieren sollen – ein als Photolumineszenz bezeichneter Prozess.

Die zugehörige Messgröße, genannt Photolumineszenz-Quantenausbeute, ist damit hervorragend geeignet, die Qualität der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen. Forschende am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT [3] haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg [4] sowie der Technischen Universität Dresden [5] ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt.

Mehr Optimierungspotenzial als angenommen

„Unser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln“, erklärt Dr. Paul Faßl vom IMT des KIT. „Dabei kommt es auf das Photonen-Recycling an, das heißt auf den Anteil der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der dünnen Schichten reabsorbiert und wieder reemittiert wird.“ Die Forschenden wandten ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3) an, einem der Perowskite mit der höchsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90 % geschätzt, beträgt aber nach den Modellberechnungen ca. 78 %. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erläutern, berücksichtigten die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und unterschätzten daher die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen – die Quanten der Lichtenergie – aus der Schicht entweichen, bevor sie reabsorbiert werden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial für die Optimierung dieser Materialien deutlich höher ist als bisher angenommen“, sagt Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am IMT des KIT. Das Forschungsteam stellt eine Open-Source-Anwendung bereit, mit der sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute verschiedener Perowskit-Materialien anhand ihres Modells berechnen lässt.

Referenzen:

[1] Originalpublikation: Paul Fassl; Vincent Lami; Felix J. Berger; Lukas M. Falk; Jana Zaumseil; Bryce S. Richards; Ian A. Howard; Yana Vaynzof; Ulrich W. Paetzold: Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling, Matter, Cell Press, 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.01.019. https://authors.elsevier.com/a/1cbg49CyxcxO47

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle
[3] Details zum KIT-Zentrum Energie: http://www.energie.kit.edu
[4] https://www.cam.uni-heidelberg.de/
[5] https://tu-dresden.de/mn/physik/iap/hlp/forschung

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Volker Tisken

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