Am 27. April gelang dem Team um Zheng Fei und Hu Ziyang von der Fakultät für Physikalische Wissenschaften und Technologie der Ningbo-Universität ein entscheidender Durchbruch bei der Erforschung des Photospannungsverlustmechanismus in zweidimensionalen Perowskit-Solarzellen. Das Team etablierte ein neues Erkenntnisparadigma für den Ladungsträgertransport in zweidimensionalen Perowskiten und ebnete damit praktikable technische Wege zur gezielten Beseitigung von Photospannungsverlusten und zur weiteren Leistungssteigerung optoelektronischer Bauelemente auf Basis zweidimensionaler Perowskite. Die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Auf der weltweiten Rennbahn zur Umstellung auf saubere Energie gelten Perowskit-Solarzellen als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation der Photovoltaik-Technologie. Dank ihrer niedrigen Herstellungskosten und hohen photoelektrischen Umwandlungseffizienz haben sie das Potenzial, die derzeitige Marktstruktur der kristallinen Silizium-Photovoltaik zu revolutionieren. Insbesondere die zweidimensionalen Ruddlesden-Popper-Perowskite werden aufgrund ihrer weit überlegenen Umweltstabilität im Vergleich zu traditionellen dreidimensionalen Perowskiten als Schlüsselweg zur Kommerzialisierung der Perowskit-Photovoltaik angesehen. Langfristig leiden diese Bauelemente jedoch unter einer hartnäckigen Herausforderung: Ein signifikanter Verlust der Leerlaufspannung, der die Effizienzsteigerung direkt ausbremst und den kommerziellen Einsatz verzögert. Stellt man sich eine Perowskit-Solarzelle als ein „Solarkraftwerk“ vor, sind die photogenerierten Ladungsträger die „Zusteller“ des elektrischen Stroms. Normalerweise laufen sie entlang vorgegebener Pfade zu den Elektroden, um Strom zu erzeugen. Zuvor stellten Forscher jedoch fest, dass eine große Anzahl dieser „Zusteller“ auf halber Strecke „verschwand“, ohne jedoch die Ursache dafür finden zu können.

Um dieses jahrelange Rätsel, das das Fachgebiet beschäftigte, zu lösen, untersuchte das Forschungsteam gemeinsam mit dem Team um Professor Kenneth Gigino von der Universität Melbourne die Mikrostruktur der zweidimensionalen Perowskite mit verschiedenen mikro- und nanoskaligen Methoden, darunter die Rasterkraftmikroskopie und die Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung. Schließlich entdeckten sie, dass innerhalb der Kristallite der zweidimensionalen Perowskite ein verborgenes laterales Phasenverteilungsprofil existiert. Dieses Profil erzeugt innerhalb der Kristallite eine „trichterförmige“ energetische Falle. Wenn die photogenerierten Ladungsträger unterwegs sind, werden sie von dieser Falle „eingesaugt“, entspannen und dissipieren zum Kristallitzentrum mit der niedrigeren Bandlücke und werden nutzlos zu Wärme. Dabei handelt es sich um den bisher unentdeckten „unsichtbaren Kanal“ für Spannungsverluste.

Nachdem die Ursache gefunden war, entwickelte das Team eine maßgeschneiderte Phasenkontrollstrategie. Sie führten eine Art „strukturelle Korrektur“ innerhalb der Kristallite des zweidimensionalen Perowskitfilms durch, indem sie die laterale Phasenverteilung „glätteten“ und die verborgenen Energietrichter so direkt beseitigten. Die experimentellen Daten zeigten, dass die Leerlaufspannung der optimierten photovoltaischen Bauelemente von ursprünglich 1,089 V direkt auf 1,155 V anstieg, während die photoelektrische Umwandlungseffizienz von 14,57 % auf 17,22 % sprang – eine deutliche Steigerung.

„Früher glaubten wir, dass Spannungsverluste hauptsächlich an den Korngrenzen auftreten. Wir hätten nicht gedacht, dass innerhalb der Kristallite ein so großer ‚Verlust‘ lauert“, erklärte Zheng Fei, Professor der Fakultät und Teamleiter von der Ningbo-Universität. „Diese Entdeckung eröffnet im Wesentlichen eine völlig neue Optimierungsrichtung. Vorher tappte jeder im Dunkeln; jetzt kennen wir das genaue Ziel, auf das wir schießen müssen.“

„Der Kernwert dieser Studie liegt darin, das Problem des lateralen Transports innerhalb der Kristallite erstmals auf den Tisch gebracht zu haben“, erläuterte Hu Ziyang, Professor derselben Fakultät. „Dieser Ansatz der gezielten Steuerung der Phasenverteilung zeigt nicht nur einen Weg für die Entwicklung hocheffizienter Perowskit-Batterien auf, sondern eröffnet auch neue Optimierungspfade für die technologische Umsetzung in neuen Bereichen wie flexible Photovoltaik und energieerzeugung bei schwachem Licht in Innenräumen.“

Wie man hört, arbeitet das Team derzeit auf Basis dieses Mechanismus an der weiteren Iteration der Bauelementstruktur, um die Ergebnisse von der Forschung Richtung industrieller Anwendung zu treiben. In nicht allzu ferner Zukunft könnten leichte Photovoltaik-Dächer für Privathaushalte, faltbare tragbare Solarmodule und sogar selbststromerzeugende Displays für Smart Wearables von diesem technologischen Durchbruch profitieren.