Licht ins Dunkel der Perowskit-Solarzelle gebracht
Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz konnten nun die in einer Perowskitsolarzelle ablaufenden Prozesse mit hoher Präzision vermessen.
Jun.-Prof. Stefan Weber mit einer Solarzelle in der Hand. Die Forscher haben eine Erklärung für die Hysterese in Perowskitsolarzellen gefunden. Bild: MPI-P
Perowskitsolarzellen zählen zu neuen Trägergenerationen der Weiterentwicklung von Photovoltaik. Bild: Fraunhofer ISE
Perowskitsolarzellen elektrisieren die Solarzellenforscher: Dieses neue, billige und einfach zu verarbeitende Material hat nahezu ideale physikalische Eigenschaften für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom. Da es pechschwarz ist, reicht eine hauchdünne Schicht von weniger als einem tausendstel Millimeter aus, um das gesamte einfallende Sonnenlicht zu absorbieren.
Gleichzeitig ist es ein sehr guter elektrischer Leiter, der die erzeugten elektrischen Ladungen schnell und effizient an die Kontakte und daran angeschlossene Geräte abgeben kann. So können Perowskitsolarzellen heute mit einer Effizienz von 22,7% bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie bereits die besten multikristallinen Siliziumsolarzellen übertreffen (22,3%).
Was aber noch unerklärt war ist, dass sie kurzzeitig auch dann noch Strom weiter liefern, wenn bereits das Licht aus ist. In herkömmlichen Siliziumsolarzellen geht der Strom sofort auf Null zurück, in Perowskitsolarzellen aber nicht. Umgekehrt dauert es aber auch einen Moment, bis sie nach dem Einschalten des Lichts den vollen Strom liefern. Dieser ungewollte Effekt wird Hysterese genannt.
Erklärung für das verzögerte Ausschalten
Gemeinsam mit Forschern der École polytechnique fédérale de Lausanne ist es der Gruppe um Juniorprofessor Stefan Weber und Gruppenleiter Professor Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz gelungen, die Prozesse in Perowskitsolarzellen nach dem Ausschalten des Lichts zu entschlüsseln.
Mit einer als Kelvinsondenmikroskopie bekannten Methode konnten die Forscher die Ursache entschlüsseln.
Auf der beleuchteten Querschnittsfläche der Solarzelle entdeckten die Mainzer Wissenschaftler eine Ansammlung von Ladungen am Rand der Perowskitschicht, die auch nach dem Abschalten des Lichts noch für einen kurzen Augenblick stabil war. „Diese Ladungen an den Grenzflächen des Perowskits spielen die Hauptrolle für die Hysterese, da sie auch nach dem Ausschalten des Lichts für etwa eine halbe Sekunde ein elektrisches Feld in der Zelle aufrecht erhalten“, sagt Stefan Weber.
Was daraus folgen kann
Weber deutet an, was aus den Erkenntnissen des Forscherteams folgen kann: „Umgekehrt bedeutet das, dass Hysterese durch gezielte Modifikationen an diesen Grenzflächen beeinflusst oder ganz unterdrückt werden kann.“ Dies sei ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendung von Perowskitsolarzellen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher kürzlich in dem renommierten Journal Energy Environmental Science veröffentlicht.
