Effiziente Materialien f\u00fcr Solarzellen der Zukunft \u2013 Neues Modell zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute.<\/p>\n\n\n\n
Perowskit-Halbleiter gelten als vielversprechende Materialien f\u00fcr Solarzellen der n\u00e4chsten Generation. Wie gut geeignet ein Halbleiter f\u00fcr die Anwendung in der Photovoltaik ist, l\u00e4sst sich unter anderem an der sogenannten Photolumineszenz-Quantenausbeute erkennen. Forschende des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie (KIT) haben ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals exakt bestimmen l\u00e4sst. Dar\u00fcber berichten sie in der Zeitschrift Matter<\/em>. (DOI: 10.1016\/j.matt.2021.01.019)<\/p>\n\n\n\n
Photovoltaik tr\u00e4gt wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei. Entscheidend f\u00fcr den Wirkungsgrad von Solarzellen, die Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, ist das eingesetzte Material. Metall-Halid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien f\u00fcr Solarzellen der n\u00e4chsten Generation. Mit diesen Halbleitern, die ihren Namen der speziellen Perowskit-Kristallstruktur verdanken, ist in den vergangenen Jahren eine deutliche Effizienzsteigerung gelungen: Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5 Prozent erreicht \u2013 nicht mehr weit entfernt von dem der marktdominierenden Silizium-Solarzellen. Zudem sind die f\u00fcr Perowskit-Solarzellen ben\u00f6tigten Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden, die Solarzellen lassen sich einfach und g\u00fcnstig herstellen und vielseitig einsetzen. Der bei Perowskit-Solarzellen theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei ca. 30,5 Prozent. \u00a0 Um diesem Wirkungsgrad nahezukommen, muss die optoelektronische Qualit\u00e4t der Perowskit-Halbleiter weiter steigen. Grunds\u00e4tzlich gilt, dass f\u00fcr die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient wieder emittieren sollen \u2013 ein als Photolumineszenz bezeichneter Prozess. Die zugeh\u00f6rige Messgr\u00f6\u00dfe, genannt Photolumineszenz-Quantenausbeute, ist damit hervorragend geeignet, die Qualit\u00e4t der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen. Forschende am Institut f\u00fcr Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universit\u00e4t Heidelberg sowie der Technischen Universit\u00e4t Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverl\u00e4ssig und exakt bestimmen l\u00e4sst. \u00dcber ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Zeitschrift Matter<\/em>.<\/p>\n\n\n\n
\u201eUnser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Paul Fa\u00dfl vom IMT des KIT. \u201eDabei kommt es auf das Photonen-Recycling an, das hei\u00dft auf den Anteil der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der d\u00fcnnen Schichten reabsorbiert und wieder reemittiert wird.\u201c <\/p>\n\n\n\n
Die Forschenden wandten ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH3<\/sub>NH3<\/sub>PbI3<\/sub>) an, einem der Perowskite mit der h\u00f6chsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90 Prozent gesch\u00e4tzt, betr\u00e4gt aber nach den Modellberechnungen ca. 78 Prozent. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erl\u00e4utern, ber\u00fccksichtigten die bisherigen Sch\u00e4tzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und untersch\u00e4tzten daher die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen \u2013 die Quanten der Lichtenergie \u2013 aus der Schicht entweichen, bevor sie reabsorbiert werden. <\/p>\n\n\n\n
\u201eUnsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial f\u00fcr die Optimierung dieser Materialien deutlich h\u00f6her ist als bisher angenommen\u201c, sagt Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am IMT des KIT. Das Forschungsteam stellt eine Open-Source-Anwendung bereit, mit der sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute verschiedener Perowskit-Materialien anhand ihres Modells berechnen l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n
Paul Fassl, Vincent Lami, Felix J. Berger, Lukas M. Falk, Jana Zaumseil, Bryce S. Richards, Ian A. Howard, Yana Vaynzof, Ulrich W. Paetzold: Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling. Matter. Cell Press, 2021. DOI: 10.1016\/j.matt.2021.01.019.<\/a><\/li><\/ul>\n\n\n