Prognose des Wirkungsgrads von Solarzellen mit Terahertz- und Mikrowellenspektroskopie

Viele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungseinrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebensdauer der Ladungsträger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungsgrad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.

Zu den wichtigsten Materialeigenschaften eines Halbleiters, der als Solarzelle verwendet werden soll, zählen Mobilität und Lebensdauer von Elektronen und „Löchern“. Beide Größen lassen sich kontaktlos mit Hilfe von spektroskopischen Methoden mit Terahertz- bzw- Mikrowellenstrahlung messen. Allerdings unterscheiden sich die Messdaten aus der Literatur oft um Größenordnungen, so dass es schwierig war, daraus zuverlässige Berechnungen abzuleiten.

„Diesen Unterschieden wollten wir auf den Grund gehen“, sagt Dr. Hannes Hempel aus dem HZB-Team um Dr. Thomas Unold. Dafür haben die HZB-Physiker Fachleute aus insgesamt 15 internationalen Laboren eingebunden und gemeinsam mit ihnen typische Fehlerquellen und Probleme der Messungen analysiert. Jedes Labor erhielt Referenzproben mit der auf Stabilität optimierten Perowskit-Halbleiterverbindung (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3). Die Proben wurden von Dr. Martin Stolterfoht an der Universität Potsdam produziert.

Ein Ergebnis der gemeinsamen Arbeit ist die deutlich präzisere Ermittlung der Transporteigenschaften mit Terahertz- bzw Mikrowellenspektroskopie „Wir wissen nun, worauf wir im Vorfeld der Messungen achten müssen und kommen so zu deutlich besser übereinstimmenden Werten“, betont Hempel.

Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich mit diesen zuverlässigen Messdaten und einer weiter-entwickelten Analyse auch die Kennlinien der Solarzelle präziser berechnen lassen. „Wir glauben, dass diese Analyse für die Photovoltaik-Forschung von großem Interesse ist, weil sie den maximal möglichen Wirkungsgrad des Materials in einer Solarzelle vorhersagt und den Einfluss verschiedener Verlustmechanismen, wie Transportbarrieren, offenlegt“, sagt Unold. Dies gilt nicht nur für die Materialklasse der Perowskit-Halbleiter, sondern auch für andere neue halbleitende Materialien, die sich so rasch auf ihre mögliche Eignung überprüfen lassen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Hannes Hempel, hannes.hempel@helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:

Advanced Energy Materials (2022): Predicting Solar cell performance from Terahertz and Microwave Spectroscopy

Hannes Hempel, Tom J. Savenjie, Martin Stolterfoht, Jens Neu, Michele Failla, Vaisakh C. Paingad, Petr Kužel, Edwin J. Heilweil, Jacob A. Spies, Markus Schleuning, Jiashang Zhao, Dennis Friedrich, Klaus Schwarzburg, Laurens D.A. Siebbeles, Patrick Dörflinger, Vladimir Dyakonov, Ryuzi Katoh, Min Ji Hong, John G. Labram, Maurizio Monti, Edward Butler-Caddle, James Lloyd-Hughes, Mohammad M. Taheri, Jason B. Baxter, Timothy J. Magnanelli, Simon Luo, Joseph M. Cardon, Shane Ardo, and Thomas Unold

DOI: 10.1002/aenm.202102776

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