Photovoltaik

Grundlage für neuartige Solarzellen

Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Grundlagen für einen völlig neuen Typus von Solarzellen entwickelt. Die neue Methode wandelt jenseits der herkömmlichen Wirkmechanismen Infrarotlicht in elektrische Energie um.

Foto der Polaron-Solarzelle bei Laboruntersuchungen: Schwarz ist der Manganat-Absorber-Film mit heißen Polaron-Anregungen. (Foto: Universität Göttingen / MPIbpC / DESY)

Der Wirkmechanismus der Festkörper-Solarzelle besteht aus dem Mineral Perowskit und beruht auf sogenannten Polaron-Anregungen. Das sind kombinierte Anregungen von Elektronen und Gitterschwingungen des Festkörpers. Beteiligt an der Entwicklung der neuartigen Methode sind Forscher der Universität Göttingen, des Göttinger Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie, der Technischen Universität Clausthal und vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials erschienen.

„Während in konventionellen Solarzellen die Wechselwirkung von Elektronen mit Gitterschwingungen zu unerwünschten Verlusten führt und daher ein wesentliches Problem darstellt, können diese Polaron-Anregungen in der Perowskit-Solarzelle bei bestimmten Betriebstemperaturen fraktal gebildet und langlebig genug werden, damit ein ausgeprägter photovoltaischer Effekt auftritt“, erläutert Erstautor Dirk Raiser vom MPI für biophysikalische Chemie und vom DESY. „Dies erfordert jedoch einen geordneten Grundzustand der Ladungen, der einer Art Kristallisation der Ladungen entspricht und so starke kooperative Wechselwirkungen der Polaronen ermöglicht.“

Anzeige

Die untersuchten Perowskit-Solarzellen mussten im Labor auf etwa -35 °C gekühlt werden, damit der Effekt einsetzte. Voraussetzung für eine praktische Anwendung ist die Realisation geordneter Polaronen-Zustände bei höheren Temperaturen. „Die vorliegenden Messungen wurden an einem gut charakterisierten Referenzmaterial durchgeführt, um das Prinzip des Effektes zu verdeutlichen. Dafür wurde die tiefe Übergangstemperatur in Kauf genommen“, erläutert Ko-Autorin Prof. Dr. Simone Techert vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen, die auch leitende Wissenschaftlerin am MPI für biophysikalische Chemie und am DESY ist.

Prinzip des experimentellen Aufbaus der ultraschnellen Untersuchungen; exemplarisch mit Kühlung. (Foto: Dirk Raiser)

Göttinger Materialphysiker arbeiten an einer Modifizierung und Optimierung des Materials, um eine höhere Betriebstemperatur zu erreichen. „Der kooperative Zustand könnte sich unter Umständen auch durch geschickte Anregung mit weiterem Licht vorübergehend einstellen lassen“, sagt Prof. Techert. Sofern eine dieser Strategien erfolgreich ist, könnten zukünftig Solarzellen oder photochemische Energieträger mittels reichlich vorhandener Perowskit-Oxidverbindungen erzeugt werden.

„Die Entwicklung hocheffizienter und einfach gebauter Festkörper-Solarzellen ist immer noch eine wissenschaftliche Herausforderung, der sich viele Arbeitsgruppen auf der Welt stellen, um die künftige Energieversorgung zu gewährleisten“, betont Forschungsleiter Prof. Dr. Christian Jooß vom Institut für Materialphysik der Universität Göttingen. „Neben der Material- oder Bauoptimierung schon etablierter Solarzellen beinhaltet dies auch die Erforschung neuer grundlegender Mechanismen des lichtinduzierten Ladungstransports und der Umwandlung in elektrische Energie. Auf diese Weise sollte es möglich sein, Solarzellen basierend auf neuen Wirkprinzipien zu entwickeln.“

Genau dies ist der interdisziplinären Gruppe von Materialphysikern, Theoretikern, chemischen Physikern und Röntgenphysikern nun im Rahmen des Göttinger Sonderforschungsbereichs (SFB) 1073 „Kontrolle der Energiewandlung auf atomaren Skalen“ gelungen. Für die Erforschung der neuartigen Solarzellenfunktion waren dabei ultraschnelle optische und strukturelle Analysemethoden entscheidend, wie sie in aktuellen und früheren Arbeiten zu diesem Thema zum Einsatz kamen.

Kristallstruktur des Perowskit-Absorbers der Solarzelle. (Abbildung: Universität Göttingen / MPIbpC / DESY)

Im Zentrum in Göttingen steht dabei die Entwicklung von Materialien, deren Anregungen sich mittels starker Wechselwirkungen steuern lassen. Die Materialentwicklung wird im Rahmen des SFB 1073 durch die theoretischen Arbeiten von Prof. Dr. Peter Blöchl von der Technischen Universität Clausthal intensiv begleitet. Sie erlauben, ein fundamentales Verständnis der neuen Wirkmechanismen zu entwickeln und damit das Design neuer Materialen zielgerichtet durchzuführen.

Originalveröffentlichung:
Dirk Raiser et al. Evolution of hot polaron states with a nanosecond lifetime in manganite. Advanced Energy Materials. DOI: 10.1002/aenm.201602174.

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Christian Jooß
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – Institut für Materialphysik
E-Mail: jooss@ump.gwdg.de
Internet: www.material.physik.uni-goettingen.de/index.php?site=jooss_info

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Schnellster Feuchtebestimmer am Markt für Feuchte-/Feststoffgehalt

Der Feuchtebestimmer SMART 6 analysiert den Feuchtegehalt jeder Probe in nur 2 min. Ob nass oder trocken, Feststoff, Pulver oder Suspension – egal! Alle Probenarten werden dank der Kombination Mikrowelle/Halogen schnell und präzise bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dank der Temperaturkontrolle sind die Messwerte vergleichbar zu den Standardmethoden.

mehr...

EU-Projekt PECSYS

Solare Wasserstofferzeugung

Das HZB koordiniert ein EU-Projekt, das innerhalb von vier Jahren eine wirtschaftlich umsetzbare Technologie für die solare Wasserstofferzeugung entwickeln soll. Die Solarenergie wird dadurch in chemische Energie umgewandelt und im Brennstoff...

mehr...
Anzeige
Anzeige

Schnelle automatisierte Lösemittel Extraktion

Das EDGE Extraktionssystem ist ein sequentielles System für die schnelle automatisierte Lösemittel-Extraktion. Damit werden unterschiedliche Proben schnell in nur 5 min. extrahiert. Die Extraktionen im EDGE werden unter Druck und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, was zu einer starken Beschleunigung der Reaktionskinetik führt.

Zum Highlight der Woche...

Plastiksolarzellen

Röntgenblick zeigt Verschleiß

Mit dem scharfen Röntgenblick von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III haben Wissenschaftler der Technischen Universität München den Verschleiß von Plastiksolarzellen beobachtet. Die Untersuchung liefert einen Ansatz für eine verbesserte...

mehr...