Forscher lösen Rätsel um Perowskit-Rekorde

Die Sonne ist eine unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle. Deshalb nimmt die Photovoltaik bei der Energieerzeugung in Deutschland eine immer wichtigere Rolle ein. Zu den vielversprechenden Materialien für Solarzellen – mit einem hohen Wirkungsgrad und kostengünstig in der Herstellung – gehören die metallorganischen Perowskite.

Warum allerdings nun genau die Perowskit-Solarzelle so effizient das Sonnenlicht in Strom umwandelt, war lange unklar. Forscher kamen dem Geheimnis der hohen Wirkungsgrade der Perowskit-Zellen in den letzten Jahren aber immer näher. Dabei entdeckten sie das Photonen-Recycling, das nur bei Perowskit-Zellen vorkommt.

Anfang 2016 veröffentlichte eine britisch-niederländische Forschergruppe in "Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells" die Entdeckung einer Besonderheit von Perowskit-Solarzellen. Die Forscher des Cavendish Laboratory an der Universitsy of Cambridge, der University of Oxford und vom FOM Institute AMOLF in Amsterdam gehen davon aus, Perowskit-Kristalle einfallende Photonen „recyceln“ können.

Wenn ein Photon in reabsorbierende Halbleiter wie Perowskite eingestrahlt wird, kann es vom Emitter selbst wieder absorbiert werden und durch Photolumineszenz ein neues Photon erzeugen. Ein solcher Prozess des Reabsorbierens und Reemittierens der Photonen wird seither als „Photonenrecycling“ bezeichnet. Mit Perowskit-Zellen, die auf die Nutzung dieses Recycling-Effekts optimiert werden, ließe sich der Solarzellen-Wirkungsgrad weiter steigern.

Die Forscher kamen diesem Effekt auf die Spur indem sie eine Schicht aus Bleitrijodid-Perowskit mit einem Laser beleuchteten, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Über deren Rekombination emittierte die Perowskitschicht dann auch abseits des Laserspots Licht, das auch kürzere Wellen­längen um 765 Nanometer enthielt.

Dieses Phänomen erklärten die Forscher mit einem Photonen-Recycling, einer wiederholten Rekombination der Ladungsträger mit darauffolgender Lichtemission, das mit zunehmendem Abstand vom ursprünglichen Laserspot schwächer wurde. Ohne Photonen-Recycling, so die Forscher, könne kein Photostrom in einem Abstand von mehr als 30 Mikrometern auftreten. Die Forscher gingen damals davon aus, dass die erneute Lichtemission von rekombinierten Elektron-Loch-Paaren Ursache der erstaunlich hohen Effizienz von Perowskit-Solarzellen erklären helfen könne.

2021 konnten Forschende am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Universität Dresden ein neues Modell entwickeln, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen ließ. In ihrer Veröffentlichung "Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling" stellen sie u.a. fest, dass Perowskite noch mehr Optimierungspotenzial besitzen als bisher angenommen.

„Unser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln. 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“, erklärt Dr. Paul Faßl vom IMT des KIT.

Die Forschenden wandten ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH₃NH₃PbI₃) an, einem der Perowskite mit der höchsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90 Prozent geschätzt, beträgt aber nach den Modellberechnungen ca. 78 Prozent.

Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erläutern, berücksichtigten die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und unterschätzten daher die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen 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 Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am IMT des KIT.

Obwohl das Phänomen des Photonen-Recyclings in Perowskit-Solarzellen bereits von mehreren Forschungsgruppen nachgewiesen wurde, konnte sein praktischer Beitrag zur Effizienz von Perowskit-Solarzellen bisher nicht nachgewiesen werden.

Bis Wissenschaftler des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) in Kooperation mit Teams der Seoul National University (SNU) und der Korea University (KU) die wichtige Rolle des Photonenrecyclings und von Lichtstreuungseffekten in Perowskit-Solarzellen untersuchten.

Anfang 2022 veröffentlichte das IAPP-Team seine Ergebnisse in "Effects of Photon Recycling and Scattering in High-Performance Perovskite Solar Cells": Photonenrecycling und Lichtstreuungseffekte können die Lichtemissionseffizienz um einen Faktor von circa fünf verbessern, wodurch die Photospannung von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessert wird.

"Perowskite sind bereits gute Absorber. Jetzt ist es an der Zeit, ihre Lichtemissionsfähigkeit zu verbessern, um ihre bereits hohen Leistungsumwandlungseffizienzen noch weiter zu steigern", sagt Dr. Changsoon Cho, der die Arbeit als Humboldt-Forschungsstipendiat am IAPP leitete. "Das Verständnis des Photonenrecyclings ist ein entscheidender Schritt in diese Richtung."

Es ist damit äußerst wahrscheinlich, dass der Beitrag des Photonenrecyclings zusammen mit der Unterdrückung verschiedener optoelektrischer Verluste in Zukunft zu einer weiteren Leistungssteigerung führen wird. Die obere Grenze für den Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen steigt mit Hilfe des Photonenrecyclings von 29,2 % auf 31,3 %.

"Mit den vorliegenden grundlegenden Erkenntnissen über die Rolle des Photonenrecyclings haben wir eine einzigartige Möglichkeit, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern und dieser Technologie damit immer bessere Aussichten zu bieten, mit der etablierten siliziumbasierten Photovoltaik zu konkurrieren", fügt Prof. Yana Vaynzof, Professorin für Neuartige Elektronik-Technologien am Institut für Angewandte Physik und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), hinzu.

Tatsächlich motivieren die Verbesserungen des Potenzials von Perowskit-Solarzellen dazu, die Kommerzialisierung dieser Technologie weiter voranzutreiben. "Unsere Forschung zeigt das Potenzial der Technologie, aber es sind noch viele weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, bevor die Technologie in die Massenproduktion gehen kann", erklärt Prof. Karl Leo, Leiter des IAPP und Träger des Europäischen Erfinderpreises.