Verminderung der Rekombinationsverluste in Perowskit Solarzellen

• Antragsteller: Kristofer Tvingstedt, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382633022

Die auf Perowskit-Halbleitern basierte Photovoltaik verzeichnet derzeit einen rasanten, vielversprechenden Fortschritt und entwickelt sich damit zu einer potentiellen Alternative kostengünstig Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere sollen die sogenannten Perowskit-Solarzellen äußerst kosteneffizient herstellbar sein, da sie, wie bereits auch schon organische Solarzellen, aus Lösung hergestellt werden können und somit zugänglich für gängige Drucktechnik-Verfahren sind. Es werden daher besonders niedrige Produktionskosten anvisiert. Jedoch stehen, wie auch bei jeder anderen PV-Technologie, ein hoher Wirkungsgrad sowie die Stabilität der Solarzellen im Vordergrund um die Technologie entsprechend attraktiv für den Markt zu machen. Um dieses erstrebenswerte Ziel zu verwirklichen, ist ein tiefes Verständnis der fundamentalen Limitierungen dieser Technologie dringend erforderlich. Im Allgemeinen gibt es zwei wesentliche Begrenzungen des Wirkungsgrades einer Solarzelle: Erstens, die Absorptionsbreite und -stärke des Halbleitermaterials, die nur einen Teil des Sonnenspektrums abdeckt und somit den erzeugten elektrischen Strom begrenzt. Zweitens, die elektrischen Verluste, genauer gesagt die Rekombination der Ladungsträger innerhalb der Solarzelle nach der Absorption, die hauptsächlich die Spannung limitieren. Während der synthetischen Chemie die Aufgabe der Absorptionsoptimierung überlassen bleibt, ist das Hauptziel innerhalb dieses Projektes die Limitierung von Perowskit-Solarzellen durch Ladungsträgerrekombination aufzudecken und zu minimieren, um so einen maßgeblichen Beitrag zur Steigerung des Wirkungsgrades dieser neuen PV-Technologie beizusteuern.Durch die Kombination komplementärer Experimente zur Untersuchung strahlender und nicht-strahlender Rekombinationsdynamiken in Perowskit-Solarzellen, sowohl unter transienten als auch unter stationären bzw. quasi-stationären Bedingungen, soll im Projekt ein umfassenderes und verständliches Bild über die einzelnen Verlustmechanismen im Detail erworben werden, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Der Vergleich verschiedener ladungsträgerselektiver Materialien sowie unterschiedlicher Herstellungsmethoden der Perowskit-Schicht sollen durch eine Korrelation der experimentellen Ergebnisse mit der Modellierung von Ratengleichungen zu wesentlichen Erkenntnissen über die Herkunft der dominierenden Rekombinationsverlustmechanismen führen. Insbesondere soll der Einfluss von Oberflächenrekombinationsverlusten an Grenzflächen geklärt werden und wie diese minimiert werden können.Insgesamt sollen die Ergebnisse dieses Projektes dazu dienen detailliert Rückmeldung sowohl an die Materialsynthese, als auch an die Solarzellenherstellung zu liefern in Hinblick auf eine Optimierung der Funktionsweise dieser neuen und außerordentlich vielversprechenden Photovoltaik-Technologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Henk J. Bolink; Michele Sessolo, Ph.D.; Professor Henry Snaith, Ph.D.