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.“

Solarzellen auf Basis von Perowskit-Oxidverbindungen
Die untersuchten Perowskit-Solarzellen mussten im Labor auf etwa minus 35 Grad Celsius gekühlt werden, damit der Effekt einsetzte. Voraussetzung für eine praktische Anwendung ist die Realisation geordneter Polaronenzustände 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.
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.

Herausforderung für Wissenschaftliche Arbeitsgruppen
„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.

10.02.2017 | Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., Universität Göttingen; Bild: Universität Göttingen / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie / DESY | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH