Photovoltaik Quantenpunkte steigern die Effizienz von Perowskit-Solarzellen

Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben den Wirkungsgrad und die Skalierbarkeit von Perowskit-Solarzellen erhöht, indem sie deren Elektronentransportschichten durch eine dünne Schicht aus Quantenpunkten ersetzt haben.

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Perowskite sind hybride Verbindungen, die aus Metallhalogeniden und organischen Bestandteilen bestehen. Sie weisen ein großes Potenzial für eine Reihe von Anwendungen auf, z. B. für LED-Leuchten, Laser und Fotodetektoren, aber ihr wichtigster Beitrag liegt in Solarzellen, wo sie im Begriff sind, den Markt von ihren Silizium-Pendants zu überholen.

Wirkungsgrad nimmt mit zunehmender Größe ab

Eines der Hindernisse für die Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen ist, dass ihr Wirkungsgrad und ihre Betriebsstabilität mit zunehmender Größe abnehmen, was die Aufrechterhaltung einer hohen Leistung in einer kompletten Solarzelle zur Herausforderung macht.

Elektronentransportschicht mit geringer Elektronenbeweglichkeit

Das Problem liegt zum Teil in der Elektronentransportschicht der Zelle, die dafür sorgt, dass die Elektronen, die bei der Absorption von Licht in der Zelle entstehen, effizient zur Elektrode des Geräts übertragen werden. In Perowskit-Solarzellen besteht die Elektronentransportschicht aus mesoporösem Titandioxid, das eine geringe Elektronenbeweglichkeit aufweist und außerdem anfällig für negative photokatalytische Ereignisse unter ultraviolettem Licht ist.

Leistung von Perowskit-Solarzellen gesteigert

In einer neuen Publikation in „Science“ haben Wissenschaftler um Professor Michael Grätzel von der EPFL und Dr. Dong Suk Kim vom Korea Institute of Energy Research einen neuen Weg gefunden, die Leistung von Perowskit-Solarzellen auch in großem Maßstab zu steigern und auf hohem Niveau zu halten. Dazu haben sie die Elektronentransportschicht durch eine dünne Schicht aus Quantenpunkten ersetzt.

Was sind Quantenpunkte?

Quantenpunkte sind nanometergroße Partikel, die als Halbleiter fungieren und Licht bestimmter Wellenlängen emittieren, wenn sie beleuchtet werden. Aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften eignen sich Quantenpunkte bestens für den Einsatz in zahlreichen optischen Anwendungen wie Solarzellen.

Zinn(IV)-Oxid-Quantenpunkte ersetzt Titandioxid-Elektronentransportschicht

Die Wissenschaftler haben die Titandioxid-Elektronentransportschicht ihrer Perowskit-Zellen durch eine dünne Schicht aus mit Polyacrylsäure stabilisierten Zinn(IV)-Oxid-Quantenpunkten ersetzt und festgestellt, dass dies die Lichteinfangkapazität der Geräte verbessert und die nicht-radiative Rekombination unterdrückt – ein Phänomen, das manchmal an der Schnittstelle zwischen der Elektronentransportschicht und der eigentlichen Perowskit-Schicht auftritt und die Effizienz beeinträchtigt.

Rekordwirkungsgrad von 25,7 Prozent

Dank der Quantenpunktschicht haben die Forscher herausgefunden, dass Perowskit-Solarzellen mit einer Fläche von 0,08 cm² einen Rekordwirkungsgrad von 25,7 Prozent (zertifiziert 25,4 Prozent) und eine hohe Betriebsstabilität erreichen und gleichzeitig die Vergrößerung erleichtern. Bei einer Vergrößerung der Oberfläche der Solarzellen auf 1, 20 und 64 cm² lag der Wirkungsgrad bei 23,3, 21,7 bzw. 20,6 Prozent.

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