Dr. Christian Diestel

Projekt

Development of Inorganic Monolithic Devices for Photovoltaic Energy Conversion and Storage
Ziel meiner Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung anorganischer Multischichtstrukturen für die photovoltaische Energieumwandlung und Speicherung. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Perowskit-basierten anorganischen Solarzellen. Mit meinen Kolleg*innen Dr. Taisiia Berestok und Jan Büttner und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Dr. Jan Christoph Goldschmidt am Fraunhofer ISE arbeite ich daran, diese Solarzellen mit Batterien und Superkondensatoren zu integrieren. So will ich monolithische SolStore-Devices in einer drei-Elektroden-Konfiguration erschaffen. Diese wandeln Licht in elektrische Energie um, welche sie direkt speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben können, um kleine elektrische Verbraucher zu versorgen.

Projekt Ergebnisse

Zusammen mit Dr. Taisiia Berestok habe ich zwei funktionierende Prototypen für Photosuperkondensatoren entwickelt - einen mit einer Perowskit-Solarzelle (Berestok et al. 2021) und einen mit einer Silizium-Solarzelle (Berestok et al. 2022), die beide einen maßgeschneiderten Superkondensator mit mesoporösen, stickstoffdotierten Kohlenstoffelektroden (MPNC) verwenden. Das Gerät auf Perowskit-Basis wies aufgrund seiner hohen Bandlücke und seiner hochporösen Elektroden eine Rekord-Energiedichte auf, während das Gerät auf Silizium-Basis eine bessere Leistungsdichte, aber eine geringere Energiedichte bot. Das erste Gerät diente als Prüfstand für die Herstellungstechniken, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Zuverlässigkeit, der elektrischen Leistung sowie der mechanischen und chemischen Stabilität des Superkondensators, der großflächigen Perowskit-Zelle und der Schnittstelle zwischen beiden lag. Nach der Einführung dieser Techniken und aufgrund der hohen Zuverlässigkeit der Silizium-Solarzelle wies letztere folglich eine höhere Beständigkeit bei wiederholtem Betrieb auf, so dass ich sie für die Entwicklung von Charakterisierungsmethoden nutzen konnte.

Da ich erkannte, dass die aktuellen Charakterisierungsmethoden nicht eindeutige Ergebnisse lieferten und die Leistung der Geräte unter realen Bedingungen nicht vorhersagen konnten, entwickelte ich eine neue Leistungskennzahl für Fotospeicher (Diestel et al. 2023). Diese Kennzahl basiert auf der Leistung eines Ersatzschaltkreismodells in drei grundlegenden Betriebsarten, die die Basis für alle realen Anwendungen bilden, und bietet eine eindeutige und umfassende Bewertung, die die bisherigen Einschränkungen überwindet.

Nachdem ich diese neue Grundlage für die Charakterisierung geschaffen hatte, entwickelte ich Methoden zur Bestimmung der Leistungskennzahl für reale Geräte. Dazu gehörten experimentelle Methoden zur Bestimmung der Modellparameter, ein kundenspezifischer photoelektrischer Messplatz sowie eine kundenspezifische Software zur Simulation, Messsteuerung und Datenauswertung. Ich testete diese Methoden erfolgreich an verschiedenen Photokondensatoren, die aus kommerziell erhältlichen Komponenten zusammengesetzt waren, sowie an einer Version unseres eigenen Silizium-MPNC-Prototyp-Photokondensators.

Betreuer und Dissertation
Prof. Dr. Stefan Glunz

Christian Diestel hat seine Dissertation in Dezember 2024 erfolgreich verteidigt.

Dissertation: Photosupercapacitors — development & advanced characterisation

Publikationen in livMatS

• Determining the quality of photosupercapacitors and photobatteries in different modes of operation—A new approach*
  Diestel, C. O., Andrés, R. D., & Glunz, S. W. (2023). Determining the quality of photosupercapacitors and photobatteries in different modes of operation—A new approach. Journal of Energy Storage, 71, 107775. doi: 10.1016/j.est.2023.107775
• A Monolithic Silicon-Mesoporous Carbon Photosupercapacitor with High Overall Photoconversion Efficiency*
  Berestok, T., Diestel, C., Ortlieb, N., Glunz, S. W., & Fischer, A. (2022). A Monolithic Silicon‐Mesoporous Carbon Photosupercapacitor with High Overall Photoconversion Efficiency. Advanced Materials Technologies, 2200237. doi: 10.1002/admt.202200237
• High-Efficiency Monolithic Photosupercapacitor – A Smart Integration of a Perovskite Solar Cell with a Mesoporous Carbon Double-Layer Capacitor*
  Berestok, T., Diestel, C., Ortlieb, N., Büttner, J., Matthews, J., Schulze, P. S., Goldschmidt, J., Glunz, S. W., & Fischer, A.(2021). High‐Efficiency Monolithic Photosupercapacitor–A Smart Integration of a Perovskite Solar Cell with a Mesoporous Carbon Double‐Layer Capacitor. Solar RRL. doi: 10.1002/solr.202100662
  
  
  * Funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC-2193/1 – 390951807