Dresdener Forschungsteam entwickelt neues Konzept für Heterojunction-Solarzellen

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Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden hat in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ ein neues Konzept für Solarzellen vorgestellt (Perovskite phase heterojunction solar cells). Bislang werden Heteroübergänge in Siliziumsolarzellen mit unterschiedlich dotierten Bereichen erlangt, die einen sogenannten p-n-Übergang bilden, und in organischen Solarzellen mit der Mischung zweier Halbleitermaterialien, einem Donor und einem Akzeptor. Für die neue Zelle nutzte das Team um die Wissenschaftlerin Yana Vaynzof das Phänomen der Polymorphie, wonach ein Material unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, je nachdem wie seine Atome und Moleküle im Kristallgitter angeordnet sind: Sie kombinierten Cäsium-Blei-Iodid-Perowskit in der Beta- und der Gamma-Phase. Damit wurde erstmals ein Heteroübergang in einer Solarzelle gebildet, indem das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen zusammengebracht wird.

„Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Cäsium-Blei-Iodid in der Beta- und der Gamma-Phase sind unterschiedlich“, so Yana Vaynzof. „Indem wir Gamma-Cäsium-Blei-Iodid auf der Beta-Phase abscheiden, können wir einen Phasen-Heteroübergang in Solarzellen realisieren, wodurch die Bauteile wesentlich effizienter als jene Solarzellen mit nur einer Phase des Perowskits sind.“

Der Veröffentlichung zufolge beeinflusst die obere Lage aus Gamma-Perowskit die Leistungsfähigkeit der Solarzelle gleich mehrfach: „Sehr dünne Schichten des Gamma-Perowskits führen bereits zu einer Leistungssteigerung, da diese dünne Schicht Defekte der darunterliegenden Schicht passiviert. Dickere Schichten des Gamma-Perowskits steigern dann jedoch die Leistungsfähigkeit der Solarzelle weiter und erreichen einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent“, erläutert Ran Ji, der Erstautor der Studie.

Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit ist der Studie zufolge auf die erhöhte Lichtabsorption und eine verbesserte Ausrichtung der elektronischen Energieniveaus zurückzuführen. Das Forschungsteam hat zudem nachgewiesen, dass ein solcher Phasen-Heteroübergang auch beim Betrieb der Solarzelle erhalten bleibt und dass er die Ionenwanderung im Absorbermaterial herabsetzt, was ein typisches Problem von Perowskit-Solarzellen löse.

Unterschiedliche Herstellungsprozesse für die obere und untere Schicht sollen es möglich machen, solche Strukturen in Zukunft sehr leicht herzustellen. „Wir hoffen, dass dieses neuartige Konzept und die sehr einfache Herstellung eines solchen Übergangs sich auch auf andere Materialsysteme und Halbleiterbauteile übertragen lässt“, so Vaynzof. Polymorphie sei auch in vielen anderen Halbleitern bekannt. „Unsere Ergebnisse bieten einen vielversprechenden Ansatz für hocheffiziente photovoltaische Geräte, die in Zukunft auch mit anderen Klassen polymorpher Materialien wie zum Beispiel organischen Materialien oder anderen Perowskit-Zusammensetzungen realisiert werden könnten“, so das Fazit der Studie.

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