Photovoltaik Silberspiegel sollen Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verdreifachen

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Perowskite gehören zu den vielversprechendsten Materialien für die Solarzellentechnologie. Jetzt haben Forscher an der Universität Rochester eine neue Methode entwickelt, um die Effizienz des Materials mehr als zu verdreifachen, indem sie eine Schicht aus reflektierendem Silber darunter anbringen.

Silizium, das Standard-Halbleitermaterial, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird – Computer-Zentraleinheiten (CPUs), Halbleiterchips, Detektoren und Solarzellen – ist ein reichlich vorkommendes, natürliches Material. Es ist jedoch teuer in der Gewinnung und Reinigung. Perowskite – eine Materialfamilie, die ihren Spitznamen ihrer kristallinen Struktur verdankt – haben sich in den letzten Jahren als vielversprechender, weitaus kostengünstigerer und ebenso effizienter Ersatz für Silizium in Solarzellen und Detektoren erwiesen. Laut einer Studie, die unter der Leitung von Chunlei Guo, Professor für Optik an der Universität Rochester, erstellt wurde, könnten Perowskite noch deutlich effizienter werden.

Neuer, physikalisch begründeter Ansatz

Normalerweise synthetisieren Forscher Perowskite in einem Nasslabor, bringen das Material dann als Film auf ein Glassubstrat auf und erforschen verschiedene Anwendungen. Guo schlägt stattdessen einen neuen, physikalisch begründeten Ansatz vor. Mithilfe eines Substrats, das nicht aus Glas, sondern aus einer Metallschicht oder aus abwechselnden Metallschichten und dielektrischem Material besteht, konnte sein Team die Effizienz von Perowskit in Solarzellen um 250 Prozent steigern. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.

„Niemand sonst ist auf diese Beobachtung bei Perowskiten gekommen“, betont Guo. „Plötzlich können wir eine Metallplattform unter ein Perowskit legen und damit die Wechselwirkung der Elektronen innerhalb des Perowskits völlig verändern. Wir verwenden also eine physikalische Methode, um diese Wechselwirkung zu gestalten.“

Überraschende physikalische Effekte

Metalle sind zwar sehr einfache Werkstoffe, aber man kann ihnen komplexe Funktionen verleihen. Das Guo-Labor verfügt über umfangreiche Erfahrungen in dieser Richtung. Die verbesserten Metalle wurden nun u. a. zur Absorption von Sonnenenergie. „Ein Stück Metall kann genauso viel leisten wie eine komplexe chemische Technik in einem Nasslabor“, erklärt Guo. „Die neue Forschung könnte für die künftige Nutzung der Sonnenenergie besonders nützlich sein.“

Kombination von Perowskit und einer Metallschicht oder einem Metamaterial-Substrat

„In einer Solarzelle müssen die Photonen des Sonnenlichts mit den Elektronen interagieren und diese anregen, so dass die Elektronen ihre Atomkerne verlassen und einen elektrischen Strom erzeugen“, so Guo. „Im Idealfall würde die Solarzelle Materialien verwenden, die schwach genug sind, um die angeregten Elektronen zu den Atomkernen zurückzuziehen und den elektrischen Strom zu stoppen.“ Guos Labor hat gezeigt, dass eine solche Rekombination durch die Kombination eines Perowskit-Materials mit einer Metallschicht oder einem Metamaterial-Substrat, das aus abwechselnden Schichten aus Silber, einem Edelmetall, und Aluminiumoxid, einem Dielektrikum, besteht, erheblich verhindert werden kann.

Erhebliche Verringerung der Elektronenrekombination

Das Ergebnis war eine erhebliche Verringerung der Elektronenrekombination durch „eine Menge überraschender physikalischer Effekte“, so Guo. Tatsächlich dient die Metallschicht als Spiegel, der umgekehrte Bilder von Elektronen-Loch-Paaren erzeugt und so die Fähigkeit der Elektronen zur Rekombination mit den Löchern schwächt. Das Labor konnte mit einem einfachen Detektor die daraus resultierende 250-prozentige Steigerung der Effizienz der Lichtumwandlung beobachten.

Es sind noch einige Probleme zu lösen

Bevor die neuen Perowskite in der Praxis eingesetzt werden können, müssen noch einige Probleme gelöst werden, insbesondere ihre Tendenz, sich relativ schnell zu zersetzen. Derzeit sind die Forscher auf der Suche nach neuen, stabileren Perowskit-Materialien. „Wenn neue Perowskite auftauchen, können wir unsere auf der Physik basierende Methode nutzen, um ihre Leistung weiter zu verbessern“, ergänzt Guo.

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