Quantenpunkte steigern Effizienz von Perowskit-Solarzellen

Forscher der ETH Lausanne (EPFL) haben die Elektronentransport-Schichten in Perowskit-Solarzellen durch eine dünne Schicht aus Quantenpunkten ersetzt und dadurch deren Effizienz und Skalierbarkeit gesteigert. 

Quelle: Antipoff wikimedia CC BY-SA 3.0

Quantenpunkte sind nanometergrosse Partikel, die als Halbleiter fungieren und Licht bestimmter Wellenlängen (Farben) emittieren, wenn sie beleuchtet werden.

Perowskite sind hybride Verbindungen, die aus Metallhalogeniden und organischen Bestandteilen bestehen. Sie weisen ein grosses Potenzial für eine Reihe von Anwendungen auf, etwa für LED-Leuchten, Laser oder Photodetektoren. Hauptsächlich werden sie aber für Solarzellen genutzt, wo sie laut einer Mitteilung der EPFL nun im Begriff sind, den Markt von ihren Silizium-Pendants zu übernehmen. Denn EPFL-Forschern ist ein kleiner Quantensprung für die Perwoskit-Technologie gelungen, der die Kommerzialisierung der Photovoltaik-Technologie beschleunigen könnte. 

Bislang bestand eines der Hindernisse bei Perowskit-Solarzellen darin, dass ihr Wirkungsgrad und ihre Betriebsstabilität mit zunehmender Grösse abnahm, was die Aufrechterhaltung einer hohen Leistung in einer kompletten Solarzelle zu einer Herausforderung machte. Das Problem hierfür liegt laut der EPFL zum Teil in der Elektronen-Transportschicht der Zelle, die dafür sorgt, dass die Elektronen, die bei der Absorption von Licht in der Zelle entstehen, effizient zur Elektrode des Geräts übertragen werden. 

In Perowskit-Solarzellen besteht diese Elektronen-Transportschicht aus mesoporösem Titandioxid, das eine geringe Elektronenbeweglichkeit aufweist und daneben anfällig für negative photokatalytische Ereignisse unter ultraviolettem Licht ist. 

Dünne Schicht aus Quantenpunkten 

In einer neuen Publikation im Fachmagazin «Science» haben Wissenschaftler um Professor Michael Grätzel von der EPFL und Dr. Dong Suk Kim vom Korea Institute of Energy Research einen Weg gefunden, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen auch in grossem Massstab zu steigern und auf einem hohen Niveau zu halten. Das Team ersetzte dafür die Elektronen-Transportschicht durch eine dünne Schicht aus Quantenpunkten. 

Quantenpunkte sind gemäss Mitteilung der EPFL nanometergrosse Partikel, die als Halbleiter fungieren und Licht bestimmter Wellenlängen (Farben) emittieren, wenn sie beleuchtet werden. Aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften würden sich Quantenpunkte ideal für den Einsatz in einer Vielzahl von optischen Anwendungen eignen – einschliesslich für Geräte in Bereich der Photovoltaik. 

Verbesserte Lichteinfangkapazität 

Konkret ersetzten die Forscher die Titandioxid-Elektronentransportschicht ihrer Perowskit-Zellen durch eine dünne Schicht aus mit Polyacrylsäure stabilisierten Zinn(IV)-Oxid-Quantenpunkten und stellten fest, dass dies die Lichteinfangkapazität der Geräte verbesserte. Gleichzeitig unterdrückte dies die nicht-radiative Rekombination – ein Phänomen, das laut Mitteilung manchmal an der Schnittstelle zwischen der Elektronen-Transportschicht und der eigentlichen Perowskit-Schicht auftritt und die Effizienz beeinträchtigt. 

Durch die Verwendung der Quantenpunktschicht stellten die Forscher fest, dass Perowskit-Solarzellen mit einer Fläche von 0,08 Quadratzentimetern einen Rekordwirkungsgrad von 25,7 Prozent (zertifiziert 25,4 Prozent) sowie eine hohe Betriebsstabilität erreichen und gleichzeitig die Vergrösserung erleichtern. Bei einer Vergrösserung der Oberfläche der Solarzellen auf 1, 20 und 64 Quadratzentimeter lag der Wirkungsgrad gemäss Mitteilung bei 23.3, 21.7 respektive 20.6 Prozent. (mgt/pb)

Zur Publikation im Fachmagazin «Science»: www.science.org
Zur Mitteilung der ETH Lausanne: actu.epfl.ch