Perowskit kann was – Solarzellenforschung made in Potsdam

Dr. Martin Stolterfoht wurde für seine Forschung zu Perowskit-Solarzellen mit dem Postdoc-Preis des Landes Brandenburg 2020 ausgezeichnet. | Foto: privat
Photolumineszenz eines Perowskit-Halbleiters unter Beleuchtung, die sich die Forscher zu nutze machen um die Rekombinationsverluste in der Zelle zu messen | Foto: privat
Foto einer an der Uni Potsdam hergestellten Perowskit-Solarzelle | Foto: privat
Quelle: privat
Dr. Martin Stolterfoht wurde für seine Forschung zu Perowskit-Solarzellen mit dem Postdoc-Preis des Landes Brandenburg 2020 ausgezeichnet.
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Photolumineszenz eines Perowskit-Halbleiters unter Beleuchtung, die sich die Forscher zu nutze machen um die Rekombinationsverluste in der Zelle zu messen.
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Foto einer an der Uni Potsdam hergestellten Perowskit-Solarzelle

Der Physiker Dr. Martin Stolterfoht erhielt am 7. Dezember 2020 einen der beiden Postdoc-Preise des Landes Brandenburg 2020. Sein Spezialgebiet: Perowskit-Solarzellen.

„Silizium-Solarzellen gibt es schon lange und sie sind bald – zumindest unter Laborbedingungen – nicht mehr entscheidend verbesserbar“, sagt der Physiker Dr. Martin Stolterfoht. Der gebürtige Österreicher, der in Australien promoviert hat, leitet die Perowskit-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl von Prof. Dieter Neher. Perowskit gilt als vielversprechende Alternative für die Solarzellen der Zukunft: „Es ist weniger anfällig für Defekte als Silizium“, so der Wissenschaftler. Doch bis zur idealen Perowskit-Solarzelle haben die Forscher noch einige Arbeit vor sich. „Problematisch für Energieverluste sind die Grenzflächen, also die Orte, wo eine andere Schicht der Solarzelle auf den Perowskit-Halbleiter trifft.“

Martin Stolterfoht erklärt mit Begeisterung, wie eine Solarzelle funktioniert: „Für Solarzellen braucht man einen Halbleiter. Das sind Stoffe, die ein Valenz- und ein Leitungsband getrennt durch eine Bandlücke haben, z.B. wie in Silizium. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle bzw. den Halbleiter trifft, wird ein Elektron vom Valenzband auf das Leitungsband gehoben. Dadurch übernimmt das Elektron Energie vom Photon. Im Valenzband bleibt ein Loch. Sowohl das Elektron als auch das Loch müssen abtransportiert werden, um einen Strom zu erzeugen und sollen sich dabei nicht mehr begegnen – sonst hat man ein Rekombinationsproblem, einen Energieverlust.“

Synthetisches Perowskit ist sehr gut für die Solarzellenforschung geeignet. Stolterfoht, der seinen Master eigentlich in theoretischer Physik gemacht hat, stellt es im Labor selbst her: „Das ist ganz einfach. Das kann jedes Kind. Man mischt zwei Salze in einem Fläschchen, gibt ein Lösungsmittel hinzu und dann wird die Lösung auf eine Fläche aufgetragen und ausgehärtet – dafür wird es ganz schnell herumgeschleudert. Wir nennen das spin coating“, so der Wissenschaftler. Der so entstehende Halbleiter sei Silizium in vieler Hinsicht überlegen: „Silizium ist defektanfälliger. Geringste Unreinheiten oder Kristalldefekte können das Elektron wieder ‚einfangen‘ und die Effizienz der Solarzelle deutlich reduzieren.“ Das erfordert die Herstellung hochreiner Kristalle und das ist viel aufwendiger. Das Silizium muss tagelang in einem Vakuumbehälter auf 1100 Grad Celsius erhitzt werden, damit es die gewünschte Qualität hat.“

Perowskit sei diesbezüglich weniger anfällig, erklärt der Wissenschaftler. Dennoch komme es auch bei Perowskit-Solarzellen noch zu Energieverlusten. Was genau diese Verluste bedingt, hat Martin Stolterfoht untersucht. Für seine Ergebnisse, die er in einem Paper veröffentlicht hat, erhielt er nun den Postdoc–Preis 2020 des Landes Brandenburg. Für ihn eine wichtige Würdigung seiner Arbeit in der physikalischen Solarzellenforschung. „Das ist schon toll, wenn man ausgewählt wird. Ich arbeite ja schon länger auf dem Gebiet und das ist mein erster Preis.“ Durch seine Forschung konnte Stolterfoht nachweisen, dass nicht das Perowskit selbst die Rekombinationsverluste verursacht, sondern die Transportschichten der Solarzelle. „Die Grenzflächen sind das Problem“, erklärt der Physiker, der längst die weitere Forschung plant. „In einem nächsten Schritt wollen wir die physikalischen Prozesse an den Grenzflächen besser verstehen um die geeignetsten Transportschichten zu identifizieren.“ Mit dem Preisgeld kann er nun in neue Software und Laborgeräte investieren. „Ich weiß noch nicht sicher, was genau ich anschaffen werde – damit habe ich mich noch gar nicht beschäftigt. Erstmal habe ich mich nur über den Preis gefreut.“

Perowskit, so Martin Stolterfoht, ist ein recht junges Forschungsgebiet der Solarzellenforschung. „Wir haben eigentlich gerade erst angefangen – das heißt, wir haben alle Möglichkeiten, diese Solarzellen noch zu optimieren.“ Eine Aufgabe, die den Wissenschaftler anspornt. „Diese Forschung ist ja auch enorm wichtig. An der Professur von Prof. Neher verstehen wir unsere Arbeit schon so, dass wir einen Beitrag leisten wollen – gegen den Klimawandel.“ Dafür arbeitet die Forschungsgruppe auch mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin bei Adlershof und einem brandenburgischen Unternehmen und zusammen, die Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen herstellen. „Bei dieser Technologie werden Perowskit-Solarzellen mit herkömmlichen aus Silizium kombiniert, um die Vorteile beider Welten auszunutzen“, sagt der Wissenschaftler. Mit diesem zukunftsweisenden Tandemprinzip könne die Leistungseffizienz herkömmlicher Siliziumsolarzellen schon heute deutlich übertroffen werden.

Die ausgezeichnete Publikation Martin Stolterfohts ist zu finden unter: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02020a#!divAbstract