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Institut für Energie- und Klimaforschung
IEK-5 Photovoltaik

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Materialsuche für Solarzellen

Material TornadoAus Materialdatenbanken mit Tausenden von Materialstrukturen führen wir Berechnungen nach dem neuesten Stand der Technik durch, um diejenigen mit den vielversprechendsten Eigenschaften für Photovoltaik-Geräte auszuwählen.
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Während kristallines Silizium noch immer das vorherrschende Material in der Photovoltaik ist, haben sich Metallhalogenid-Perovskite in den letzten Jahren als vielversprechende Alternativen für die Herstellung von kostengünstigen und hocheffizienten Mehrfachsolarzellen erwiesen. Methylammonium-Blei-Iodid war die erste Verbindung in dieser Materialklasse, bei der gute photovoltaische Eigenschaften beobachtet worden waren. Das leicht flüchtige Methylammonium führt jedoch zu einer geringen thermischen Stabilität des Gitters, und das Pb-Kation ist toxisch. Daher hat die Forschungsgemeinschaft erhebliche Anstrengungen unternommen, um verwandte Verbindungen mit verbesserter Stabilität und verringerter Toxizität zu finden. Die bisherigen Berechnungen stützten sich hauptsächlich auf die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und konzentrierten sich auf die Bandlücke, die Stabilität und die effektiven Massen der Materialien. Einer der Hauptprobleme dieser quantenmechanischen „Ab-Initio“-Methode liegt jedoch in der korrekten Umsetzung der berechneten Materialeigenschaften in die tatsächliche Leistung der Photovoltaik. Die Bandlücke und die effektiven Massen sind zwar Schlüsselparameter, allein jedoch unzureichend [1]. Wir wollen daher die Quanteneigenschaften von Materialien unter dem Gesichtspunkt von Bauelementsimulationen untersuchen, um die Leistung von Solarzellen über die Eigenschaften des "bloßen" Materials hinaus im Gleichgewicht zu bewerten. Dazu beschreiben wir zunächst die Materialeigenschaften mit modernsten Methoden jenseits der DFT. Der theoretische Ansatz umfasst Renormalisierungseffekte durch Elektronenstreuung innerhalb der GW-Näherung. In IEK-5 implementieren wir die Suche nach effizienten Materialien in Workflows mit hohem Durchsatz, die als Ausgangspunkt Kristallstrukturen aus bekannten Datenbanken verwenden, die Tausende von Materialien enthalten. Das erste Materialscreening basiert auf unseren Berechnungen von GW-Bandlücken und GW-basierten optischen Eigenschaften, die mit dem SPEX-Code erhalten wurden [2].

Die Ausgabe dieser Berechnungen wird dann als Eingabe für einen Formalismus verwendet, der auf einer Beschreibung mit Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen basiert. Innerhalb dieses Formalismus werden optische Anregungs-, Rekombinations- und Transportprozesse einbezogen, um eine realistischere Vorhersage des Wirkungsgrades zu erhalten. Am IEK-5 entwickeln wir außerdem einen quanten-kinetischen Ansatz mithilfe von Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen, womit ein leistungsfähiges Instrument zur Behandlung der Eigenschaften mesoskopischer photovoltaischer Bauelemente zur Verfügung gestellt wird [3-5].

[1] T. Kirchartz und U. Rau, Adv. Energy Mater. 8, 1703385 (2018)
[2] C. Friedrich, S. Blügel und A. Schindlmayr, Phys Rev. B 81, 125102 (2010); http://spex.readthedocs.io
[3] U. Aeberhard, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 323002 (2018)
[4] U. Aeberhard, Phys. Rev. B 99, 125302 (2019)
[5] U. Aeberhard, Phys. Status Solidi B 256, 1800500 (2019)

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