17.01.2022 - Technische Universität Dresden

Photonen-Recycling – der Schlüssel zu hocheffizienten Perowskit-Solarzellen

Zusätzliche Lichtemission wird durch wiederholtes Recycling eingefangener Photonen in Perowskiten erreicht

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.

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Solarenergie
  • Photolumineszenz
  • Perowskite
Mehr über TU Dresden
  • News

    Spin-off entwickelt Lösungen für hochpräzisen Multimaterial-3D-Druck

    Im Rahmen eines EXIST-Forschungstransfers entwickelt das Team von HETEROMERGE eine Technologie für den automatisierten Materialaustausch für Hochpräzisions-3D-Drucker zur Marktreife. Dadurch werden auch im Bereich extrem kleiner Strukturgrößen von bis zu 100 Nanometern Multimaterialdrucke m ... mehr

    Wiederverwendbare UV-Sensor-Folien

    Durch den EXIST-Forschungstransfer PRUUVE (Phosphorescent Response Under UV Excitation) wollen drei Physiker der TU Dresden wiederverwendbare UV-Sensor-Folien und Etiketten zur Marktreife führen. Mit dieser Idee ist das Team aktuell auch für den futureSAX – den Sächsischen Gründerpreis 2022 ... mehr

    Alternatives Verfahren zur Umwandlung von weißem Phosphor verspricht mehr Nachhaltigkeit in der chemischen Industrie

    Chemiker der Technischen Universität Dresden haben ein neues, nachhaltigeres Verfahren zur Synthese zahlreicher wichtiger Chemikalien des Alltags aus weißem Phosphor entwickelt. Das neue Verfahren hat das Potential, innovative, ressourcenschonendere Prozesse in der chemischen Industrie zu e ... mehr

  • Autoren

    Dr. Torsten Tonn

    Torsten Tonn ist Professor für Transfusionsmedizin an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden. Er ist ebenfalls Geschäftsführer des DRKBlutspendedienstes Nord-Ost. Vor dieser Stellung leitete er den Bereich für Zell- und Gentherapie des Instituts für Tra ... mehr

Mehr über Seoul National University