Schwerer Wasserstoff für effizientere Solarzellen

Ansatz des Oak Ridge National Laboratory senkt thermische Verluste durch Phonone in Perowskiten

Gitterstruktur: Deuterium dämpft Schwingungen (Foto: Jill Hemman, ornl.gov)

Oak Ridge (pte003/07.10.2020/06:10) - Schwerer Wasserstoff (Deuterium) scheint der Schlüssel, um Perowskit-Solarzellen, die "heiße" Ladungsträger nutzen, effizienter zu machen. Das zeigt eine Studie des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) http://ornl.gov und der University of Tennessee, Knoxville (UTK) http://utk.edu . Denn normalen Wasserstoff durch sein doppelt so massereiches Gegenstück zu ersetzen, senkt in einem untersuchten Perowskit die thermische Leitfähigkeit deutlich. Dies könnte verhindern, dass von Licht angeregte Ladungsträger in Solarzellen ihre Energie über sogenannte Phononen verlieren, ehe sie zu Strom gemacht wird.

Störende Schwingungen

In Festkörpern kommt es zu Anregungen der Gitterschwingungen, sogenannten Phononen. Bei Perowskit-Solarzellen stehen eben diese einer größtmöglicher Effizienz im Weg, da sie mit den von einfallendem Licht angeregten "heißen" Ladungsträgern wechselwirken und so zu thermischen Verlusten führen. "Ein Tuning der Dynamik organischer Moleküle kann eine Kontrolle der für thermische Leitfähigkeit in metallorganischen Pervoskiten wichtigen Phononen ermöglichen", sagt UTK-Materialwissenschaftlerin Mahshid Ahmadi.

Eben das haben die Forscher am Beispiel eines Perowskits, speziell eines Methylammonium-Bleiiodids, gezeigt. Dieses enthält normalerweise Wasserstoffatome, die das Team durch Deuterium ersetzt hat. Dieser hat eine doppelt so hohe Masse wie normaler Wasserstoff, was der in "Science Advances" veröffentlichten Studie nach große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften hat. "Unsere Messungen zeigten uns, dass die Deuterierung die ohnehin geringe thermische Leitfähigkeit um 50 Prozent senkt", so ORNL-Materialwissenschaftler Michael Manley.

Phononen-Flaschenhals

Durch die Veränderung der Materialeigenschaften kommt es zu einem "Phonone-Flaschenhals", in dem "heiße" Elektronen nicht so leicht mit diesen Schwingungen interagieren können. Das bedeutet, dass in einer Solarzelle aus dem Material die angeregten Ladungsträger nicht so leicht thermische Verluste erleiden, ehe ihre Energie tatsächlich zur Stromgewinnung verwertet werden kann. Der Ansatz scheint also geeignet, um die Ausbeute bei Perowskit-Solarzellen zu steigern. Diese liegt bei aktuellen Ausführungen bei etwa 25 Prozent. Eine optimal designte Zelle, die heiße Ladungsträger nutzt, könnte laut ORNL theoretisch fast 66 Prozent erreichen.

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