Mehr Leistungsfähigkeit 15.11.2022, 07:00 Uhr

Weg frei für Solarzellen mit ganz neuer Funktionsweise

Forschende der TU Dresden haben das Prinzip, nach dem herkömmliche Solarzellen arbeiten, aufgebrochen. Das schafft neue Möglichkeiten für die Wahl des Materials. Durch spezielle Herstellungsverfahren sei gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit gesichert.

Phasenübergang

Diese Illustration symbolisiert den Phasenübergang. Er kann auch aus zwei Phasen desselben Materials bestehen.

Foto: PIXELWG, Jörg Bandmann

Solarenergie gehört zu den Bereichen, in denen derzeit intensiv geforscht wird. Denn die Strahlung, die auf der Erde ankommt, könnte problemlos ein Vielfaches unseres Energiebedarfs decken. Das setzt aber natürlich voraus, dass es gelingt, das UV-Licht in ausreichender Menge in Strom umzuwandeln und zu speichern. Denn obwohl die Nachfrage nach Solaranlagen gestiegen ist, ist der Wirkungsgrad – beispielsweise im Vergleich zur Windkraft – immer noch gering.

Windkraft in Deutschland: Diskussion um die (nicht-) Auslastung?

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Neue Ansätze sind also gefragt: Ein Team um Yana Vaynzof am Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der Technischen Universität Dresden hat jetzt ein innovatives Konzept für Solarzellen vorgestellt.

Ladungsträger brauchen einen Übergang in der Solarzelle

In einer Solarzelle wird Sonnenlicht in Elektrizität umgewandelt. Dabei absorbiert die photovoltaische Zelle das Licht und im Material entstehen Paare von Ladungsträgern, die zu unterschiedlichen Polen der Solarzelle geleitet werden müssen – so kommt es zu einem elektrischen Stromfluss. Das ist aber nur möglich, wenn es innerhalb der Zellen eine Art Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien gibt. Sie bieten eine gute Umgebung für die Trennung der Paare. Das ist ein bekanntes Phänomen, das in Siliziumsolarzellen durch spezielle Bereiche im Material erreicht wird. Diese sind unterschiedlich dotiert.

Auch in organischen Solarzellen gibt es entsprechende Übergänge, Heteroübergang genannt. Dafür mischen Fachleute zum Beispiel zwei Halbleitermaterialien, mit einem sogenannten Donor und einem Akzeptor, die eine Übertragung ermöglichen. Das schränkt jedoch die Materialauswahl ein.

Eine Solarzelle aus einem Material – mit verschiedenen Eigenschaften

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Dresden sind an das Thema daher von einer anderen Seite herangegangen. Dafür haben sie ein besonderes Prinzip ausgenutzt: Es gibt Materialien, die in unterschiedlichen Kristallformen (Phasen) vorliegen können. Sie sind also polymorph. Das heißt auch, dass solch ein Material unterschiedliche Eigenschaften hat, abhängig davon, wie seine Atome und Moleküle im Kristallgitter angeordnet sind. Die Forschenden haben daher ein Material genommen, aber in zwei verschiedenen Phasen. So konnten sie eine neue Form des Heteroübergangs schaffen. Als Testobjekt diente Cäsium-Blei-Iodid Perowskit – in der Beta- und in der Gamma-Phase.

Perowskit-Solarzellen: Endlich Wirkungsgrad-Hürde genommen

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

Schicht einer bestimmten Phase erhöht Leistungsfähigkeit der Solarzelle

Interessant war dabei, dass die obere Lage aus Gamma-Perowskit die Leistungsfähigkeit der Solarzelle auf verschiedene Arten beeinflusst. Schon eine sehr dünne Schicht führte dazu, dass die Leistung der Solarzelle stieg. Mit einer noch dickeren Schicht maßen die Forschenden bei diesen ersten Tests bereits einen Wirkungsgrad der Solarzelle 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.

Der Phasen-Heteroübergang bleibt beim Betrieb der Solarzelle erhalten und quasi als Nebeneffekt löst er ein Problem, das von Perowskit-Solarzellen schon länger bekannt ist: die Ionenwanderung im Absorbermaterial. Sie wird durch das neue Konzept herabgesetzt.

Der Ansatz könnte zu günstigen elektronischen Bauteilen führen

Den Phasen-Heteroübergang zu produzieren, war allerdings nicht ganz leicht. Am Ende fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Weg, indem sie für beide Schichten unterschiedliche Herstellungsverfahren nutzten. Jetzt, da dieses Prinzip klar sei, steht nach Angabe der Forschenden einer unkomplizierten Herstellung nichts im Wege.

Das Team setzt große Hoffnung auf seine Entwicklung. Denn Polymorphie ist von vielen Halbleiter-Materialien bekannt. Mit dem neuen Konzept könnten innovative elektronische Bauteile geschaffen werden, die mit einem einzigen Material auskommen. Das würde die Herstellung vereinfachen und die Kosten senken.

Weitere Innovationen im Bereich der Solarenergie:

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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