KIT-Forscher entwickeln neues Verfahren zur Bestimmung der Qualität von Perowskit-Halbleitern

Perowskit-Solarzellen können theoretisch einen Wirkungsgrad von etwa 30,5 Prozent erreichen. Um sich dem anzunähern, muss die optoelektronische Qualität der Perowskit-Halbleiter steigen. Grundsätzlich gilt, dass für die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient wieder emittieren sollen – ein als Photolumineszenz bezeichneter Prozess. Die zugehörige Messgröße, genannt Photolumineszenz-Quantenausbeute, ist damit hervorragend geeignet, die Qualität der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen.

Forscher am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Universität Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Zeitschrift Matter.

„Unser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln“, erklärt Paul Faßl vom IMT des KIT. „Dabei kommt es auf das Photonen-Recycling an, das heißt auf den Anteil der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der dünnen Schichten reabsorbiert und wieder reemittiert wird.“

Die Forscher haben ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3) angewandt, einem der Perowskite mit der höchsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90 Prozent geschätzt, beträgt aber nach den Modellberechnungen circa 78 Prozent. Nach Einschätzung der Wissenschaftler haben die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen berücksichtigt. Daher unterschätzten sie die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen – die Quanten der Lichtenergie – aus der Schicht entweichen, bevor sie reabsorbiert werden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial für die Optimierung dieser Materialien deutlich höher ist als bisher angenommen“, sagt 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 lässt.