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12.04.2017

Solarzellen aus Perowskiten auf dem Vormarsch

Solarzellen aus Perowskiten sind günstig, weil das Mineral häufig vorkommt und die Solarzellen mit wenig Energieaufwand herzustellen sind. Inzwischen ist auch die Leistung der Perowskit Solarzellen ordentlich.

Perowskit

Perowskit aus Magnet Cove, Arkansas ©Wikipedia/Kelly Nash

Hohe Energieausbeute

Neue Solarzellen aus Perowskiten wandeln über 20 Prozent des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um. Auf der Suche nach den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie nun in Perowskit-Schichten streifenförmige Nanostrukturen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern nachgewiesen, die als Transportpfade für Ladungen dienen könnten.
 
Perowskit-Solarzellen seit ihrer Entdeckung 2009 eine rasante Entwicklung durchlaufen und erreichen inzwischen Wirkungsgrade von über 20 Prozent. Dies macht sie zu einer der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien. Die Forschung an Perowskit-Solarzellen steht allerdings noch vor zwei Herausforderungen. Die lichtabsorbierenden Schichten müssen gegen Umwelteinflüsse robuster werden und das in den Zellen enthaltene Schwermetall Blei muss durch umweltfreundlichere Elemente ersetzt werden.

Verstehen und Entwickeln
Ein Team von Forschern des KIT um Dr. Alexander Colsmann, Leiter der Arbeitsgruppe Organische Photovoltaik am Lichttechnischen Institut und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme, hat nun Perowskit-Solarzellen mit einer besonderen Rasterkraft-Mikroskopietechnik vermessen und dabei in den lichtabsorbierenden Schichten ferroelektrische Nanostrukturen nachgewiesen. Ferroelektrizität bedeutet, dass Kristalle eine elektrische Polarisation besitzen. Dabei bilden die ferroelektrischen Kristalle Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung, sogenannte Domänen. Die Karlsruher Wissenschaftler beobachteten, dass der Bleihalogenid-Perowskit während der Entstehung dünner Schichten rund 100 Nanometer breite streifenförmige ferroelektrische Domänen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern bildet. Diese alternierende elektrische Polarisation im Material könnte eine entscheidende Rolle beim Transport der photogenerierten Ladungen aus der Solarzelle heraus spielen und somit die besonderen Eigenschaften der Perowskite in der Photovoltaik erklären.
 
„Die ferroelektrischen Strukturen in der Größe von wenigen zehn Nanometern könnten nahezu perfekt getrennte Transportpfade für Ladungen in der Solarzelle bilden“, erklärt Alexander Colsmann. Nach derartigen Strukturen suchen Forscher schon seit Jahren, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. „In Perowskit-Solarzellen entstehen diese Strukturen unter gewissen Bedingungen offensichtlich von selbst“, sagt Professor Michael J. Hoffmann, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Keramische Werkstoffe und Technologien (IAM-KWT) des KIT. Er kennt ähnliche ferroelektrische Strukturen aus der Keramikforschung. Theoretische Arbeiten anderer Forscher hatten diese vorteilhaften Nanostrukturen zuvor bereits vorhergesagt. Bisher konnten diese aber noch nicht nachgewiesen werden. Die Wissenschaftler des KIT untersuchten die Ferroelektrizität von Bleihalogenid-Perowskiten im Rahmen des von der Baden-Württemberg Stiftung finanzierten Projekts „NanoSolar“. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der renommierten Zeitschrift Energy & Environmental Science.

Ein Deutscher hat es entdeckt

Entdeckt und zum ersten Mal beschrieben wurde das Perowskit von dem deutschen Mineralogen Gustav Rose imJahr 1839. Er entdeckte das noch unbekannte Mineral in der einer Gesteinsprobe aus Russland.

Warum Perowskit?

Die Forscher setzen auf Perowskite, weil sie anscheinend die Energie im Licht besser absorbieren als Siliziumzellen. Gleichzeitig erlaubt das Mineral den Elektronen eine größere Strecke zurückzulegen als in Siliziumzellen, bevor sie ihren angeregten Zustand verlieren und wieder Teil der Kristallstruktur werden. Das ist bei anderen Materialien zwar auch der Fall, aber keines lässt sich so umweltfreundlich bearbeiten wie  Perowskite.

Mit Perowskit-Solarzellen sollen die Preise  laut Forscheraussagen bei 10-20 Cent pro Zelle liegen - irgendwann einmal. Manfred Gorgus