Photonen-Recycling – der Schlüssel zu hochwirksamen Perowskit-Solarzellen

Forschende der TU Dresden haben in Kooperation mit Teams der Seoul National University (SNU) und der Korea University (KU) die wichtige Rolle der Wiederverwendung von Photonen (bekannt als "Photonenrecycling") und von Lichtstreuungseffekten in Perowskit-Solarzellen und damit einen Weg zu einer hocheffizienten Solarenergieumwandlung gezeigt. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift "Science Advances" veröffentlicht.

SolarzelleZusätzliche Lichtemission wird durch wiederholtes Recycling eingefangener Photonen in Perowskiten erreicht (Foto © Dr. Changsoon Cho)

Metallhalogenid-Perowskite sind auf großes Interesse als Halbleiter der nächsten Generation für die Solarenergieumwandlung gestoßen. Seit der ersten Demonstration eines Wirkungsgrades von 3,8 % im Jahr 2009 sind diese rapide gestiegen und hochmoderne Perowskit-Solarzellen weisen Wirkungsgrade von über 25 % auf, nahe den Rekordwirkungsgraden der Silizium-Photovoltaik. Dieses schnelle Wachstum während des letzten Jahrzehnts wirft die Frage auf, ob Perowskit-Solarzellen in der Lage sein werden, die obere (thermodynamische) Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen, die bei 34 % liegt. Um diesem Ziel näher zu kommen, muss die Solarzelle nicht nur ein guter Lichtabsorber, sondern auch ein guter Lichtemitter sein.

Das Team am Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der TU Dresden zeigt die Rolle des Photonen-Recycling-Effekts auf: Wenn ein Photon in reabsorbierende Halbleiter wie Perowskite eingestrahlt wird, kann es vom Emitter selbst wieder absorbiert werden und durch Photolumineszenz ein neues Photon erzeugen. Ein solcher Prozess des Reabsorbierens und Reemittierens der Photonen wird als Photonenrecycling bezeichnet. Obwohl dieses Phänomen bereits von mehreren Forschungsgruppen nachgewiesen wurde, konnte sein praktischer Beitrag zur Effizienz von Perowskit-Solarzellen bisher nicht nachgewiesen werden. Das IAPP-Team demonstrierte nun, dass Photonenrecycling und Lichtstreuungseffekte die Lichtemissionseffizienz um einen Faktor von circa fünf verbessern, wodurch die Photospannung von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessert wird.

Diese Arbeit weist somit die praktischen Vorteile des Photonenrecyclings in Perowskit-Solarzellen auf. „Perowskite sind bereits gute Absorber. Jetzt ist es an der Zeit, ihre Lichtemissionsfähigkeit zu verbessern, um ihre bereits hohen Leistungsumwandlungs-effizienzen noch weiter zu steigern“, sagt Dr. Changsoon Cho, der die Arbeit als Humboldt-Forschungsstipendiat am IAPP leitete. „Das Verständnis des Photonenrecyclings ist ein entscheidender Schritt in diese Richtung.“ Es ist damit äußerst wahrscheinlich, dass der Beitrag des Photonenrecyclings zusammen mit der Unterdrückung verschiedener optoelektrischer Verluste in Zukunft zu einer weiteren Leistungssteigerung führen wird. Die obere Grenze für den Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen steigt mit Hilfe des Photonenrecyclings von 29,2 % auf 31,3 %.

„Mit den vorliegenden grundlegenden Erkenntnissen über die Rolle des Photonenrecyclings haben wir eine einzigartige Möglichkeit, die Effizienz von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern und dieser Technologie damit immer bessere Aussichten zu bieten, mit der etablierten siliziumbasierten Photovoltaik zu konkurrieren“, fügt Prof. Yana Vaynzof, Professorin für Neuartige Elektronik-Technologien am Institut für Angewandte Physik und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), hinzu. Tatsächlich motivieren die Verbesserungen des Potenzials von Perowskit-Solarzellen dazu, die Kommerzialisierung dieser Technologie weiter voranzutreiben. „Unsere Forschung zeigt das Potenzial der Technologie, aber es sind noch viele weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, bevor die Technologie in die Massenproduktion gehen kann“, erklärt Prof. Karl Leo, Leiter des IAPP und Träger des Europäischen Erfinderpreises.

Originalpublikation:

Changsoon Cho, Yeoun-Woo Jang, Seungmin Lee, Yana Vaynzof, Mansoo Choi, Jun Hong Noh & Karl Leo. Effects of Photon Recycling and Scattering in High-Performance Perovskite Solar Cells. Science Advances 2021, Vol 7, Issue 52. DOI: 10.1126/sciadv.abj1363

Technische Universität Dresden