Perowskitsolarzellen

Sputterheizung CdS-Kammer (Foto: Gabi Haindl)

Perowskit Solarzellen

Die Perowskit-Solarzellen-Technologie ist der aufsteigende Stern in der Photovoltaik. Dem ersten veröffentlichten Artikel über einen Perowskitabsorber von der Arbeitsgruppe Nam-Gyu Park im Jahr 2011 folgte eine beispiellos rasche Verbesserung der Effizienz auf mehr als 19% innerhalb weniger als drei Jahren. 2016 haben Forscher von KRICT und UNIST eine zertifizierte Effizienz von über 22% erzielt.

Abbildung 1: Perowskit Solarzellen
Abbildung 1: Perowskit Solarzellen

Diese Resultate wurden mit Methylammonium Bleiiodid (CH3NH3PbI3), einem organisch-anorganischen Metall-Halogenid Material mit Perowskitkristallstruktur erzielt. Die Herstellung der Dünnschichtabsorber erfolgte unter Verwendung lösungsbasierter Abscheidungsprozesse. Perowskite zeigen außergewöhnliche Eigenschaften für Solarzellen-Anwendungen wie hohe Absorption, geeignete Bandlücke, hohe Ladungsträgerdiffusionslänge und geringe Rekombinationsrate. Abb. 2 zeigt den klassischen Aufbau einer Perowskitsolarzelle, wobei das ETM den Elektronenleiter (electron transport material) und das HTM den Lochleiter (hole transport material) darstellen.

Abbildung 2: Klassischer Aufbau einer Perowskitsolarzelle
Abbildung 2: Klassischer Aufbau einer Perowskitsolarzelle

Die optoelektronischen Materialeigenschaften der Perowskite können für spezielle Anwendungen durch Veränderung des organischen Moleküls, des Metalls oder des Halogens fein abgestimmt werden. Beispielsweise kann die Energielücke über einen großen Bereich variiert werden, was Anwendungen in Tandemzellen ermöglicht, die theoretisch einen viel höheren Wirkungsgrad erreichen können als monolithische Solarzellen.

Das außerordentliche Potenzial von Perowskit Solarzellen ist gezeigt. Für die Entwicklung eines kommerziellen, preiswerten Produktes müssen jedoch noch grundlegende Herausforderungen bewältigt werden wie Langzeitstabilität, Entwicklung großtechnisch umsetzbarer Herstellungsprozesse, sowie den Ersatz von Blei durch umweltverträglichere Metalle.

Unsere Forschung

Seit 2013 entwickelt unsere Gruppe Perowskit Solarzellen, um die Technologie der Erneuerbaren Energien voranzubringen. Da das elektronische Verhalten von Bauteilen wesentlich durch die chemische und elektronische Struktur an deren inneren Grenzflächen bestimmt wird, setzen wir Photoelektronenspektroskopie an schrittweise aufgedampften Kontaktmaterialien ein, womit sich die Kontakteigenschaften wie das ausbilden von Grenzflächenzuständen und von Kontaktpotentialen verfolgen lässt. Ziel ist die Erstellung von sogenannten Banddiagrammen über die komplette Solarzelle. Durch Variation der Prozessparameter oder der Kontaktmaterialien lassen sich die Kontakteigenschaften und damit der Wirkungsgrad der Solarzellen optimieren.

Charakterisierungstechniken

Zur Optimierung von Solarzellen setzen wir Analysemethoden ein, die es erlauben von der molekularen Ebene bis hin zu den Bauteileigenschaften zu charakterisieren:

• X-Ray-, Ultraviolett- und Synchrotronstrahlungs-Photoelektronenspektroskopie

• Inverse Photoelektronen- und Energieverlustspektroskopie

• Raman und UV/Vis Spektroskopie

• X-Ray Diffraction

• Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie

• Quanteneffizienz

• IV-Kennlinien mit Solarsimulator

Kooperationspartner

Unsere Perowskit Forschung findet im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes PeroSol statt, dessen Sprecher Prof. Jaegermann, der Leiter des Fachgebietes Oberflächenforschung ist:

Verbundpartner sind Prof. Himmel aus dem Fachbereich Chemie der Ruprecht-Karls Universität Heidelberg und Prof. Lemmer vom Lichttechnischen Institut des Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Zusätzlich arbeiten wir in einem DFG Projekt mit Prof. Riedl vom Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der BU Wuppertal an Solarzellen mit invertierter Architektur.

Werden Sie Teil unseres Teams:

• als HIWI

• im Rahmen Ihres Advance Research Lab

• indem Sie Ihre Bachelorarbeit schreiben

• indem Sie Ihre Masterarbeit schreiben

• als Gastwissenschaftler