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 CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen
23.05.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Heiße Materialien: Fachartikel zum pyroelektrischen Koeffizienten
23.05.2017 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

23.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie