Heiße Ladungsträger in Zinn-Perowskit Solarzellen um Effizienzlimits zu durchbrechen

• Antragsteller: Dr. Simon Kahmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408012143

Generierte Ladungsträger in Solarzellen verlieren einen Großteil ihrer Energie in Form von Wärme. Dieser Verlustprozess limitiert den maximalen Wirkungsgrad gewöhnlicher Solarzellen auf etwa 33%. In diesem Projekt werde ich ein Materialsystem – Zinn-Perowskit – untersuchen, in dem Ladungsträger so langsam abkühlen, dass die erfolgreiche Verwertung dieser Verlustenergie in Solarzellen ermöglicht werden kann. Die erfolgreiche Umsetzung würde den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad auf 66% verdoppeln.Mein Fokus liegt zunächst auf der Frage nach dem Ursprung für dieses Phänomen, da es in Zinn-Perowskiten auf den ersten Blick überraschend ist. Die entsprechenden Untersuchungen werden vornehmlich auf zeitaufgelöster Photolumineszenspektroskopie von Einkristallen beruhen, da diese Methode eine gute Beurteilung der Lebensdauer der heißen Ladungsträger erlaubt und Einkristalle zu einer höheren Materialqualität neigen, als dies bei dünnen Filmen, wie sie in Solarzellen verwendet werden, der Fall ist. Verschiedene Zusammensetzungen des Zinn-Perowskits werden dabei eine Optimierung der Materialeigenschaften ermöglichen. Zusätzlich erlaubt die Variation ein tieferes Verständnis atomarer Einflüsse auf die Lebensdauer.Aufbauend auf diese Grundlagenforschung soll das Abkühlverhalten in dünnen Filmen so optimiert werden, dass das Material erfolgreich in Solarzellen verwendet werden kann. Dies bedeutet vor allem eine Passivierung elektronischer Störstellen an Kristalloberflächen.Im letzten Abschnitt des Projektes soll die Extraktion heißer Ladungsträger gezeigt werden. Dies setzt eine geeignete elektrische Kontaktierung des Materials von außen gewährleistet werden muss. Als Kandidaten schlage ich die Verwendung von niederdimensionalen Nanomaterialien vor, deren Eigenschaften ich während meiner Arbeit als Doktorand studiert habe.Analog zu der Perowskit-basierten Absorptionsschicht sollen daher auch alle weiteren Schichten der Solarzelle aus der Lösung abgeschieden werden, um so eine einfache und günstige Prozessierung zu ermöglichen. Dies ist eine Kernanforderung für die spätere Großflächenproduktion der Zellen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeberin: Professorin Dr. Maria A. Loi