Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ladungsstau in der Solarzelle

24.09.2014

Mainzer Polymerforscher entschlüsseln die Arbeitsweise neuartiger Perowskit-Solarzellen.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz haben gemeinsam mit Wissenschaftlern aus der Schweiz und aus Spanien die Wirkungsweise eines neuartigen Typs von Solarzellen untersucht, bei denen eine organisch-anorganische Perowskit-Verbindung die lichtabsorbierende Schicht bildet.


Schema der Funktionsweise einer Perowskitsolarzelle.

S. Weber


Rüdiger Berger (links) und Stefan Weber (rechts) beim Vermessen einer Solarzelle.

Foto: N. Bouvier

Diese Zellen können mit einfachsten Mitteln kostengünstig hergestellt werden. Im Vergleich dazu sind etablierte Solarzellen aus Silizium in der Herstellung energieaufwändig und teuer. Mittels Kelvinsondenmikroskopie beobachteten die Mainzer Forscher um Dr. Rüdiger Berger und Dr. Stefan Weber den Ladungstransport in einer beleuchteten Solarzelle.

Dabei stellten sie fest, dass sich an einer bestimmten Stelle in der Solarzelle die positiv geladenen Ladungsträger stauen, ähnlich wie an einer Engstelle auf der Autobahn. Wollen viele Autos auf einmal daran vorbei fließen, wird der Verkehr unweigerlich langsamer oder gerät ins Stocken. Durch diese Erkenntnisse könnten Perowskitsolarzellen bald schon Effizienzen erreichen, die mit denen handelsüblicher Solarzellen vergleichbar sind. Die Mainzer haben ihre Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die Perowskit-Solarzellen aus dem Labor der Schweizer Wissenschaftler um Prof. Dr. Michael Grätzel besitzen in der Mitte eine Schicht einer organisch-anorganischen Verbindung, die in der kubischen Perowskit-Struktur kristallisiert. „Diese Strukturen absorbieren sehr gut Licht“, erklärt Rüdiger Berger die Funktionsweise der Solarzelle. „Das von der Perowskitschicht absorbierte Licht entreißt einem Atom ein Elektron; zurück bleibt eine positiv geladene Fehlstelle, die wir auch „Loch“ nennen.

Jetzt müssen wir nur noch die Elektronen zur einen und die Löcher zur anderen Elektrode bringen und fertig ist die Solarzelle.“ In der Solarzelle sitzt der Perowskit-Film daher auf einer nanostrukturierten Schicht aus Titandioxid, das die unter Beleuchtung erzeugten Elektronen einsammelt und zur unteren Elektrode leitet. Auf der Oberseite des Perowskits befindet sich eine Schicht aus einem organischen Lochleiter, der die Löcher zur oberen Elektrode transportiert.

„Die vielen unterschiedlichen Schichten in der Solarzelle sind extrem wichtig. Sie stellen die effiziente Trennung zwischen den beiden Ladungsträgern sicher“, ergänzt Bergers Kollege Stefan Weber. „Allerdings müssen die Ladungsträger jedes Mal, wenn sie von einem Material ins andere übergehen, eine kleine Barriere überwinden. Diese Barrieren wirken wie eine Baustelle auf einer stark befahrenen Autobahn, an der sich die Fahrzeuge zurückstauen. Dieser Ladungsstau in der Solarzelle führt zu Verlusten und damit zu einer niedrigeren Effizienz.“

Um den Ladungstransport innerhalb der Solarzelle zu beobachten, haben die Mainzer Wissenschaftler die Zelle in der Mitte durchgebrochen und die Bruchstelle mit einem fein fokussierten Ionenstrahl glatt poliert. Mit der feinen Spitze eines Rasterkraftmikroskops konnten sie die Schichtstruktur mit einer Auflösung von wenigen Nanometern abbilden.

Zusätzlich verwendeten sie die Kelvinsondenmikroskopie, die gleichzeitig mit der Messung der Oberflächenstruktur das elektrische Potential unter der Spitze abtastet. Aus der Potentialverteilung konnten die Forscher dann Rückschlüsse auf die Feldverteilung und damit den Ladungstransport durch die verschiedenen Schichten der Zelle ziehen.

In mehreren Messreihen stellten die Forscher fest, dass sich die lichtabsorbierende Perowskitschicht unter Beleuchtung stark positiv auflädt. Als Grund vermuten sie, dass der Elektronenleiter Titandioxid seine Aufgabe deutlich wirkungsvoller als der Lochleiter erledigt. Die Löcher erreichen ihre Elektrode nicht so schnell wie die Elektronen, sie stauen sich auf dem Weg. Durch den Überschuss an positiven Ladungen in der Perowskit-Schicht baut sich ein Gegenfeld auf, das den Transport der Löcher zusätzlich bremst.

„Wir konnten die Ladungsverteilung innerhalb der Zelle erstmals in genauen Zusammenhang mit den einzelnen Schichten bringen“, sagt Rüdiger Berger. „Der Ladungsstau der positiven Ladungen in der Perowskitschicht beim Einschalten des Lichts sagt uns, dass der Transport durch den Lochleiter derzeit den Flaschenhals für die Effizienz der Solarzelle darstellt.“ Die Beobachtungen der Mainzer Forscher können helfen, die Wirkungsgrade der Perowskit-Solarzellen auf über 20% zu erhöhen, womit sie dann eine echte Konkurrenz zu den etablierten Silizium-Solarzellen darstellen würden.

Weitere Informationen:

http://www.mpip-mainz.mpg.de/4054981/PM9_14 - Pressemiteilung und Originalpublikation
http://www.mpip-mainz.mpg.de - das Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Natacha Bouvier | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie