Perowskit-Solarzellen werden durch „Fehler“ sogar effizienter

Neues Material für Solarzellen: Warum ausgerechnet „Fehler“ mehr Strom ermöglichen

Perowskit ist ein Kristallmaterial für Solarzellen – und ausgerechnet winzige „Fehler“ machen es besonders effizient.

Solarstrom soll günstiger und leistungsfähiger werden. Deshalb suchen Forscher nach neuen Materialien für Solarzellen. Neben Silizium rückt seit einigen Jahren ein anderes Material in den Fokus: Perowskit. Überraschend ist, warum sie so gut funktionieren. Ausgerechnet kleine „Fehler“ in ihrer Struktur machen sie besonders effizient.

Perowskite lassen sich vergleichsweise einfach herstellen. Man kann sie aus einer Lösung wachsen lassen – ähnlich wie Kristalle aus Salzwasser. Das spart Energie und Kosten. Trotzdem erreichen moderne Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade von bis zu 27 Prozent bei Einzelzellen. Lange verstand niemand genau, warum dieses Solarzellen-Material trotz vieler Unregelmäßigkeiten so leistungsfähig ist.

Warum ausgerechnet Defekte helfen

Bei herkömmlichen Siliziumzellen gilt eine einfache Regel: Je sauberer der Kristall, desto besser fließt der Strom. Schon winzige Störungen bremsen dort Elektronen aus.

Perowskite verhalten sich anders. Ihre Kristalle bestehen aus vielen kleinen Bereichen, die beim Wachstum aneinanderstoßen. An den Übergängen entstehen Grenzflächen. Fachleute nennen sie Domänenwände. Man kann sie sich wie die Fugen zwischen kleinen Kacheln vorstellen.

Ein Team um den Physiker Dmytro Rak und Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersuchte genau diese Bereiche. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Was an den Grenzflächen passiert

Damit eine Solarzelle Strom erzeugt, muss sie Licht in elektrische Ladungen verwandeln. Dabei entstehen zwei Arten von Ladungen: negativ geladene Elektronen und positiv geladene „Löcher“. Ein Loch ist einfach gesagt die Stelle, an der ein Elektron fehlt.

Normalerweise treffen sich Elektron und Loch schnell wieder. Dabei geht Energie verloren. Dieser Vorgang heißt Rekombination.

Die Forscher fanden nun heraus: An den Domänenwänden entstehen winzige elektrische Felder. Diese Felder wirken wie eine unsichtbare Trennlinie. Sie ziehen Elektronen auf die eine Seite und Löcher auf die andere Seite. So bleiben beide länger getrennt.

„Unsere Arbeit liefert die erste physikalische Erklärung für diese Materialien und berücksichtigt dabei die meisten – wenn nicht sogar alle – ihrer dokumentierten Eigenschaften“, sagt Dmytro Rak.

Warum die Ladungen länger unterwegs sind

Seit Jahren galt Perowskit als rätselhaft. Einerseits zerfallen bestimmte angeregte Zustände – also kurzzeitig durch Licht „aufgeladene“ Energiezustände im Material – extrem schnell, oft schon in Nanosekunden.

Andererseits messen Forscher, dass sich Ladungen im Material über erstaunlich weite Strecken bewegen können. Genau das ist wichtig für eine hohe Effizienz.

Die neue Erklärung ist überraschend einfach: Elektronen und Löcher sitzen an den Grenzflächen auf verschiedenen Seiten. Zwischen ihnen liegt eine energetische Hürde – also ein Bereich im Material, den die Ladungen nicht ohne Weiteres überwinden können. Man kann sich das wie eine Mauer vorstellen. Solange diese „Mauer“ da ist, kommen beide nicht sofort wieder zusammen.

Dadurch haben die Ladungen mehr Zeit, sich im Material zu bewegen. Und genau diese zusätzliche Zeit steigert die Leistung der Solarzelle.

Strom sogar ohne angelegte Spannung

Ein weiteres Ergebnis macht den Effekt besonders deutlich. Die Forscher maßen Strom, obwohl sie keine äußere Spannung anlegten. Das bedeutet: Das Material selbst sorgt für die Trennung der Ladungen.

Dafür nutzten sie extrem kurze Laserpulse. Diese dauerten nur 290 Femtosekunden. Das ist ein winziger Bruchteil einer Sekunde. Trotzdem ließ sich klar ein Stromfluss nachweisen. Das zeigt: Die innere Struktur des Materials arbeitet aktiv mit. Sie unterstützt die Stromerzeugung.

Kurz zusammengefasst:

Perowskite sind ein vielversprechendes Material für Solarzellen, weil sie sich günstig herstellen lassen und trotzdem Wirkungsgrade von bis zu 27 Prozent erreichen.
Anders als bei Silizium verbessern bestimmte „Fehler“ im Kristall – sogenannte Domänenwände – die Leistung, weil sie Elektronen und positive Ladungen voneinander trennen und so Energieverluste verringern.
Die Studie zeigt: Nicht perfekte Reinheit entscheidet über die Effizienz, sondern die innere Struktur des Materials – genau diese gezielte Ladungstrennung macht Perowskite so leistungsfähig.

Übrigens: Perowskit macht nicht nur Solarzellen effizienter – es ermöglicht auch Mini-LEDs mit 127.000 Pixeln pro Zoll. Wie das unsere Displays verändern könnte, mehr dazu in unserem Artikel.