Forschende der TU Dresden haben in Kooperation mit Teams der Seoul National University (SNU) und der Korea University (KU) die wichtige Rolle der Wiederverwendung von Photonen (bekannt als „Photonenrecycling“) und von Lichtstreuungseffekten in Perowskit-Solarzellen und damit einen Weg zu einer hocheffizienten Solarenergieumwandlung gezeigt. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift ‚Science Advances‘ veröffentlicht. Mit der Technologie lassen sich die derzeit effizientesten Photovoltaikmodule herstellen.

Metallhalogenid-Perowskite sind auf großes Interesse als Halbleiter der nächsten Generation für die Solarenergieumwandlung gestoßen. Seit der ersten Demonstration eines Wirkungsgrades von 3,8 % im Jahr 2009 sind diese rapide gestiegen und hochmoderne Perowskit-Solarzellen weisen Wirkungsgrade von über 25 % auf, nahe den Rekordwirkungsgraden der Silizium-Photovoltaik. Dieses schnelle Wachstum während des letzten Jahrzehnts wirft die Frage auf, ob Perowskit-Solarzellen in der Lage sein werden, die obere (thermodynamische) Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen, die bei 34 % liegt. Um diesem Ziel näher zu kommen, muss die Solarzelle nicht nur ein guter Lichtabsorber, sondern auch ein guter Lichtemitter sein.

PhotonerRecycling: Reabsorbieren und Reemittieren

Das Team am Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der TU Dresden zeigt die Rolle des Photonen-Recycling-Effekts auf: Wenn ein Photon in reabsorbierende Halbleiter wie Perowskite eingestrahlt wird, kann es vom Emitter selbst wieder absorbiert werden und durch Photolumineszenz ein neues Photon erzeugen. Ein solcher Prozess des Reabsorbierens und Reemittierens der Photonen wird als Photonenrecycling bezeichnet. Obwohl dieses Phänomen bereits von mehreren Forschungsgruppen nachgewiesen wurde, konnte sein praktischer Beitrag zur Effizienz von Perowskit-Solarzellen bisher nicht nachgewiesen werden. Das IAPP-Team demonstrierte nun, dass Photonenrecycling und Lichtstreuungseffekte die Lichtemissionseffizienz um einen Faktor von circa fünf verbessern, wodurch die Photospannung von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessert wird.

Weg zu effizienterer Photovoltaik

Diese Arbeit weist somit die praktischen Vorteile des Photonenrecyclings in Perowskit-Solarzellen auf. „Perowskite sind bereits gute Absorber. Jetzt ist es an der Zeit, ihre Lichtemissionsfähigkeit zu verbessern, um ihre bereits hohen Leistungsumwandlungseffizienzen noch weiter zu steigern“, sagt Dr. Changsoon Cho, der die Arbeit als Humboldt-Forschungsstipendiat am IAPP leitete. „Das Verständnis des Photonenrecyclings ist ein entscheidender Schritt in diese Richtung.“ Es ist damit äußerst wahrscheinlich, dass der Beitrag des Photonenrecyclings zusammen mit der Unterdrückung verschiedener optoelektrischer Verluste in Zukunft zu einer weiteren Leistungssteigerung führen wird. Die obere Grenze für den Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen steigt mit Hilfe des Photonenrecyclings von 29,2 % auf 31,3 %.

„Mit den vorliegenden grundlegenden Erkenntnissen über die Rolle des Photonenrecyclings haben wir eine einzigartige Möglichkeit, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern und dieser Technologie damit immer bessere Aussichten zu bieten, mit der etablierten siliziumbasierten Photovoltaik zu konkurrieren“, fügt Prof. Yana Vaynzof, Professorin für Neuartige Elektronik-Technologien am Institut für Angewandte Physik und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), hinzu. Tatsächlich motivieren die Verbesserungen des Potenzials von Perowskit-Solarzellen dazu, die Kommerzialisierung dieser Technologie weiter voranzutreiben. „Unsere Forschung zeigt das Potenzial der Technologie, aber es sind noch viele weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, bevor die Technologie in die Massenproduktion gehen kann“, erklärt Prof. Karl Leo, Leiter des IAPP und Träger des Europäischen Erfinderpreises.

Hintergrund: Perowskite am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Perowskite gelten als aussichtsreiche Materialien für Solarzellen, die zugleich kostengünstig herstellbar und sehr effizient sind. Sie eignen sich vor allem für Tandem-Solarzellen, die Zellen aus Silizium und Perowskit miteinander kombinieren. Dadurch wird das Sonnenlicht besonders umfassend zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt. Bislang lassen sich die Vorteile solcher Zellen nur in kleinem Maßstab im Labor nutzen. Mit zwei neuen hochinnovativen Fertigungsanlagen schaffen Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) im Sommer 2020 die Grundlage für eine künftige Produktion im industriellen Maßstab gelegt

Rekord beim Wirkungsgrad

Solarzellen aus Perowskit-Materialien haben eine beispiellose Entwicklung hinter sich. Noch vor einigen Jahren erreichten sie mit Wirkungsgraden um die 10 Prozent nur eine magere Energieausbeute. Heute bestechen die neuesten Zellen mit einer mehr als doppelt so großen Effizienz. Forschergruppen am HZB waren an dieser raschen und deutlichen Verbesserung der Zellmerkmale maßgeblich beteiligt. So hält ein Team um Prof. Dr. Steve Albrecht, dem Leiter einer Nachwuchsforschungsgruppe, mit 29,1 Prozent den aktuellen Weltrekord beim Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium.

Im Tandem für eine höhere Energieausbeute

Diese neuartige Tandem-Solarzelle besteht aus einer Siliziumzelle und einer zweiten, darüber liegenden Zelle auf Basis einer Halbleiterverbindung mit Perowskit-Struktur. Der Vorteil der Verbindung verschiedener Materialien: ihre Absorptionsspektren ergänzen sich. Diejenigen Anteile des Sonnenlichts, die Silizium schlecht nutzen kann, können mit geeigneten – kostengünstig herstellbaren – Perowskit-Verbindungen in deutlich mehr elektrische Energie umgewandelt werden. Damit können Tandem-Solarzellen die physikalische Begrenzung des Wirkungsgrads der heute eingesetzten Siliziumsolarzellen von 29,4 Prozent deutlich überschreiten.

Bild oben: Zusätzliche Lichtemission wird durch wiederholtes Recycling eingefangener Photonen in Perowskiten erreicht. Grafik: Dr. Changsoon Cho

Von fil