Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was passiert in einer Solarzelle, wenn das Licht ausgeht?

25.07.2018

Was in einer Solarzelle passiert, wenn das Licht ausgeht, hängt stark vom verwendeten Material ab. In herkömmlichen Siliziumsolarzellen ist die Antwort sehr einfach: der Strom, den die Zelle produziert, geht sofort auf Null zurück. Ganz anders ist dies in sogenannten Perowskitsolarzellen: Hier liefert die Zelle noch für einen kurzen Moment weiter Strom. Umgekehrt dauert es aber auch einen Moment, bis sie nach dem Einschalten des Lichts den vollen Strom liefert. Dieser ungewollte Effekt wird Hysterese genannt. Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz konnten nun die in einer Perowskitsolarzelle ablaufenden Prozesse mit hoher Präzision vermessen.

Perowskitsolarzellen elektrisieren derzeit die Solarzellenforscher: Dieses neue, billige und einfach zu verarbeitende Material hat nahezu ideale physikalische Eigenschaften für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom: Da es pechschwarz ist, reicht eine hauchdünne Schicht von weniger als einem tausendstel Millimeter aus, um das gesamte einfallende Sonnenlicht zu absorbieren.


Künstlerische Darstellung der Schicht-Struktur in einer Perovskit-Solarzelle. Mit einer Spitze über der Oberfläche können die Spannungsverhältnisse in der Zelle gemessen werden.

© MPI-P


Jun.-Prof. Stefan Weber mit einer Solarzelle in der Hand

© MPI-P

Gleichzeitig ist es ein sehr guter elektrischer Leiter, der die erzeugten elektrischen Ladungen schnell und effizient an die Kontakte und daran angeschlossene Geräte abgeben kann. So können Perowskitsolarzellen heute mit einer Effizienz von 22,7 % bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie bereits die besten multikristallinen Siliziumsolarzellen übertreffen (22,3 %).

Um die Effizienz weiter steigern zu können und um Perowskitsolarzellen fit für die Kommerzialisierung zu machen ist es jedoch für die Forscher sehr wichtig, alle Prozesse zu verstehen, die in der Solarzelle beim Betrieb auftreten.

Gemeinsam mit Forschern der École polytechnique fédérale de Lausanne ist es der Gruppe um Juniorprofessor Dr. Stefan Weber und Gruppenleiter Dr. Rüdiger Berger (AK Prof. Butt) vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz gelungen, die Prozesse nach dem Ausschalten des Lichts zu entschlüsseln. Dazu haben die Forscher Solarzellen gezielt in der Mitte durchgebrochen und auf einer kleinen, wenige millionstel Meter breiten Fläche glattpoliert. In einem Rasterkraftmikroskop haben sie dann eine dünne Metallspitze über der Querschnittsfläche der Solarzelle positioniert.

Diese Metallspitze ist an ihrem Ende nur etwa 10 Nanometer breit – mehr als zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Mit dieser als Kelvinsondenmikroskopie bekannten Methode konnten die Forscher die elektrische Spannung auf der polierten Querschnittsfläche unmittelbar unter der Spitze ausmessen. Mit einer eigens entwickelten Varianter dieser Messtechnik konnten die Mainzer nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich hochauflösend den Spannungsverlauf in den einzelnen Schichten der Solarzelle vermessen.

Der Spannungsverlauf in der Solarzelle ist deshalb so interessant, weil er maßgeblich die Trennung der durch das Licht erzeugten elektrischen Ladungen beeinflusst: Aufgrund der elektrostatischen Kräfte wandern positive Ladungen zum Minuspol und negative Ladungen zum Pluspol der Spannung.

Auf der beleuchteten Querschnittsfläche der Solarzelle entdeckten die Mainzer Wissenschaftler eine Ansammlung von Ladungen am Rand der Perowskitschicht, die auch nach dem Abschalten des Lichts noch für einen kurzen Augenblick stabil war.

„Diese Ladungen an den Grenzflächen des Perowskits spielen die Hauptrolle für die Hysterese, da sie auch nach dem Ausschalten des Lichts für etwa eine halbe Sekunde ein elektrisches Feld in der Zelle aufrecht erhalten“, sagt Stefan Weber. „Umgekehrt bedeutet das, dass Hysterese durch gezielte Modifikationen an diesen Grenzflächen beeinflusst oder ganz unterdrückt werden kann.“

Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendung von Perowskitsolarzellen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher kürzlich in dem renommierten Journal Energy Environmental Science veröffentlicht.

Jun.-Prof. Dr. Stefan Weber
Stefan Weber (geb. 1981) studierte Physik an der Universität Konstanz. Für seine Doktorarbeit kam er 2007 ans Max-Planck-Institut für Polymerforschung, wo er in einem Deutsch-Koreanischen Graduiertenkolleg mit Kraftmikroskopie organische elektronische Materialien erforschte. Anschließend ging er ans University College Dublin, wo er sich mit hochauflösender Kraftmikroskopie an flüssig-festen Grenzflächen beschäftigte. Seit 2012 ist er Gruppenleiter am MPI und seit 2014 Juniorprofessor im Fachbereich Physik der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. Seit seiner Doktorarbeit beschäftigt er sich mit der Anwendung und Weiterentwicklung von Rasterkraftmikroskopie. Damit möchte er grundlegende Mechanismen in Nanostrukturen verstehen, die z.B. in Solarzellenmaterialien vorkommen.

Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Das Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) zählt zu den international führenden Forschungszentren auf dem Gebiet der Polymerforschung. Durch die Fokussierung auf weiche Materie und makromolekulare Materialien ist das MPI-P mit seiner Forschungsausrichtung weltweit einzigartig. Seine Aufgabe ist es, neue Polymere herzustellen und zu charakterisieren. Zum Aufgabengebiet gehört auch die Untersuchung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Das MPI-P wurde 1984 gegründet. Es beschäftigt mehr als 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus dem In- und Ausland, von denen die große Mehrzahl mit Forschungsaufgaben befasst ist.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Jun.-Prof. Dr. Stefan Weber
MPI für Polymerforschung, Physik der Grenzflächen
Ackermannweg 10
55128 Mainz
Tel.: +49 6131 379-115
webers@mpip-mainz.mpg.de

Originalpublikation:

Weber, S.A.L; Hermes, I.M.; Turren Cruz, S.H.; Gort, C.; Bergmann, V.W.; Gilson, L; Hagfeldt, A.; Grätzel, M; Tress, W; and Berger, R. How the Formation of Interfacial Charge Causes Hysteresis in Perovskite Solar Cells, Energy Environmental Science (http://dx.doi.org/10.1039/C8EE01447G)

Weitere Informationen:

http://www2.mpip-mainz.mpg.de/~webers/ - Gruppenseite von Jun.-Prof. Stefan Weber
http://www2.mpip-mainz.mpg.de/~berger/ - Gruppenseite von Dr. Rüdiger Berger
http://www.mpip-mainz.mpg.de - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Dr. Christian Schneider | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht IHP-Technologie darf in den Weltraum fliegen
20.08.2018 | IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik

nachricht Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie
20.08.2018 | Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

1,6 Millionen Euro für den Aufbau einer Forschungsgruppe zu Quantentechnologien

20.08.2018 | Förderungen Preise

IHP-Technologie darf in den Weltraum fliegen

20.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

Eröffnung des neuen Produktionsgebäudes bei Heraeus Medical in Wehrheim

20.08.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics