Neues Konzept für Solarzellen: Heteroübergang an Phasengrenze

Wissenschaftler:innen der TU Dresden haben eine neuartige Perowskit-Solarzelle mit einem Phasen-Heteroübergang hergestellt.Grafik: PIXELWG, Jörg Bandmann
Die Ladungsträgertrennung erfolgt in der neuartigen Solarzelle am Phasen-Heteroübergang.
Wissenschaftler:innen der TU Dresden haben eine neuartige Perowskit-Solarzelle hergestellt. Sie konnten einen Heteroübergang in der Solarzelle bilden, in dem sie das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen abgeschieden haben.

Die Gruppe um Yana Vaynzof, Professorin am Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der Technischen Universität Dresden, hat ein völlig neues Konzept für Solarzellen entwickelt. Dieses macht sich die Tatsache zunutze, dass Materialien in unterschiedlichen Kristallmodifikationen vorliegen können. Dieses Phänomen der Polymorphie bedeutet, dass ein Material unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, je nachdem wie seine Atome und Moleküle im Kristallgitter angeordnet sind. Vaynzof und ihrem Team ist es erstmals gelungen, einen Phasen-Heteroübergang in einer Solarzelle zu bilden. Dazu haben sie das gleiche Material in zwei unterschiedlichen Phasen zusammengebracht. Um die neue Funktionsweise zu demonstrieren, nutzten die Forscher:innen Cäsium-Blei-Iodid Perowskit in der Beta- und der Gamma-Phase.

„Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Cäsium-Blei-Iodid in der Beta- und der Gamma-Phase sind unterschiedlich“, sagt 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.“

Phasen-Heteroübergang im Betrieb der Solarzelle stabil

Die obere Lage aus Gamma Perowskit beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Solarzelle auf verschiedene Arten. 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 die Leistungsfähigkeit der Solarzelle weiter und erreichen einen Wirkungsgrad von über 20 %. „Fortschrittliche spektroskopische Untersuchungen konnten zeigen, dass diese Verbesserung der Leistungsfähigkeit auf die erhöhte Lichtabsorption und eine verbesserte Ausrichtung der elektronischen Energieniveaus zurückzuführen ist“, sagt Vaynzof. Zudem konnten die Forscher:innen nachweisen, dass ein solcher Phasen-Heteroübergang auch beim Betrieb der Solarzelle erhalten bleibt und sogar die Ionenwanderung im Absorbermaterial herabsetzt, was ein typisches Problem von Perowskit-Solarzellen löst.

Für den Phasen-Heteroübergang nutzten die Wissenschaftler:innen unterschiedliche Herstellungsprozesse für die obere und untere Schicht. Dadurch wird es möglich sein, solche Strukturen auch 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“, sagt Vaynzof. Da Polymorphie auch in vielen anderen Halbleitern bekannt ist, könnte dieses neue Konzept des Phasen-Heteroübergangs den Weg zu neuen elektronischen Bauteilen und Anwendungen ebnen, die sich mittels einfacher und kostengünstiger Herstellungsprozesse auf Basis eines einzigen Materialsystems realisieren lassen.

15.11.2022 | Quelle: TU Dresden | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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