Jülicher Forscher erhöhen Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen auf 1,26 Volt

Auf einen Rekordwert von 1,26 Volt haben Wissenschaftler vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) jetzt die Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen erhöht. Wie das Forschungszentrum mitteilt, gilt der Wert als Schlüssel zur Verbesserung des Wirkungsgrads: Er zeigt an, wie viele elektrische Ladungsträger in der Zelle vorhanden sind, wenn Licht auf die Zelle fällt, und ist damit direkt proportional zu der erreichbaren Leistung der Zelle.

Den Wissenschaftlern zufolge ist die Leerlaufspannung so interessant, weil sie anzeigt, wie viel Energie innerhalb der Zelle durch sogenannte Rekombinationsprozesse verloren geht. Man spreche von Rekombination, wenn Ladungsträger in Solarzellen von einem angeregten Zustand wieder in den Normalzustand zurückfallen. Wie lange angeregte, bewegliche Ladungsträger erhalten bleiben, sei unter anderem von den verwendeten Materialien und Grenzflächen abhängig, die sich mit unterschiedlichen Fertigungstechniken herstellen lassen. Die Energie, die zur Anregung der Elektronen mindestens nötig sei, die sogenannte Bandlücke, wirke sich ebenfalls auf die Leerlaufspannung aus, was die Effizienz in der Regel aber nicht erhöhe. Deshalb müssten Leerlaufspannungen immer relativ zur Bandlücke des Halbleiters verglichen werden. Bei höheren Bandlücken steige zwar die Leerlaufspannung, aber es würden auch weniger Photonen absorbiert.

Der bisherige Höchstwert für die Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen mit der meistens verwendeten Bandlücke von 1,6 Elektronenvolt lag dem Forschungszentrum Jülich zufolge bei 1,21 Volt. Das theoretische Maximum liege bei der momentan verwendeten Bandlücke bei 1,32 Volt. Nun hätten die Wissenschaftler gezeigt, dass die erzielbare Spannung prinzipiell nicht durch die beidseitig angrenzenden Kontaktmaterialien limitiert ist. Die Qualität der Schichten und Grenzflächen in ihrer Zelle sei hinsichtlich der Rekombination ähnlich hoch wie die von Zellen aus Silizium und Galliumarsenid, die sich nur mit extrem aufwendigen Methoden bei hohen Temperaturen herstellen lassen könnten. Das zeige, dass druckbare Photovoltaik und Optoelektronik das Potenzial habe, langfristig ähnlich effiziente optoelektronische Bauelemente wie mit klassischen Halbleitermaterialien zu realisieren. Bis zur Anwendungsreife sei es allerdings noch ein weiter Weg, da die aktuelle Generation von Perowskit-Solarzellen noch erhebliche Probleme mit der Langzeitstabilität habe.