Obwohl sie mit Verunreinigungen und Defekten übersät sind, wandeln Bleihalogenid-Perowskite Sonnenenergie überraschend effizient in Strom um. Ihre Effizienz nähert sich der von Silizium-basierten Solarzellen, dem Industriestandard. In einer neuen Studie präsentieren Physiker des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) eine umfassende Erklärung für den Mechanismus hinter der Effizienz von Perowskiten, der Forscher:innen seit langem vor ein Rätsel stellt. Das Rätsel besteht darin, dass man Perowskit-Solarzellen trotz ähnlicher Leistung mit kostengünstigen lösungsbasierten Techniken herstellen kann, während die branchenüblichen Siliziumzellen hochreine Einkristallwafer erfordern.

Nun haben Postdoktorand Dmytro Rak und Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) den Mechanismus hinter den einzigartigen photovoltaischen Eigenschaften von Perowskiten aufgedeckt. Ihre wichtigste Erkenntnis ist, dass während die Silizium-basierte Technologie auf der Abwesenheit von Verunreinigungen beruht, bei Perowskiten das Gegenteil der Fall ist. Es ist das natürliche Netzwerk struktureller Defekte in diesen Materialien, das den für eine effiziente photovoltaische Energiegewinnung notwendigen Langstreckentransport von Ladungen ermöglicht. „Unsere Arbeit liefert die erste physikalische Erklärung für diese Materialien und berücksichtigt dabei die meisten – wenn nicht sogar alle – ihrer dokumentierten Eigenschaften“, sagt Rak. Die Ergebnisse könnten den Übergang von Perowskit-basierten Solarzellen der nächsten Generation vom Labor zur praktischen Anwendung beschleunigen.

Perowskit-Solarzellen im Jahr 2010 entdeckt

„Blei-Halogenid-Perowskite“ ist ein Oberbegriff für eine Klasse von Verbindungen, die in man in den 1970er Jahren entdeckt hatte. Anfang der 2010er Jahre stellten Forscher:innen fest, dass diese Materialien eine außergewöhnliche photovoltaische Leistung aufweisen.

Eine effiziente Solarzelle muss einfallendes Licht absorbieren und es effektiv in Ladungen umwandeln – ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes „Loch”. Diese Ladungen müssen sich dann an den Elektroden der Solarzelle sammeln, um nutzbaren Strom zu erzeugen. Hier liegt die Herausforderung: Die Ladungen müssen Hunderte von Mikrometern zurücklegen.

In der Silizium-basierten Technologie löst man dieses Problem, indem das Medium zur Sonnenenergiegewinnung nahezu frei von Defekten ist, die Ladungen einfangen könnten, bevor sie die Sammelelektroden erreichen. Das Ungewöhnliche an Perowskit-Bauelementen ist, dass sie, da man sie in Lösung züchtet, voller Defekte sind. Wie können Ladungen in einer solchen Umgebung lange Strecken zurücklegen, um als nutzbarer Strom gewonnen zu werden? Und warum bleiben sie überhaupt lange genug bestehen, um dies zu tun?

Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass Elektronen und Löcher in Perowskiten, sobald sie einen gebundenen Zustand – ein Exziton – bilden, sehr schnell wieder rekombinieren. Angesichts dessen wird die Beobachtung, dass Elektronen und Löcher innerhalb der Materialien über längere Zeiträume getrennt bleiben, noch rätselhafter. Um dieses offensichtliche Paradoxon zu erklären, vermuteten die ISTA-Forscher, dass unbekannte innere Kräfte innerhalb von Perowskiten die entstehenden Elektron-Loch-Paare auseinanderreißen und ihre Rekombination verhindern müssen.

Interne Kräfte trennen entgegengesetzte Ladungen im Perowskit

Um diese Hypothese zu überprüfen, führte das Team mit Hilfe nichtlinearer optischer Methoden Elektronen und Löcher tief in das Innere einer Perowskit-Probe ein. Dadurch konnten sie jedes Mal, wenn ein neuer Teil der Elektronen und Löcher eingeführt wurde, einen endlichen Strom feststellen, der genau in die gleiche Richtung im Material floss – selbst ohne angelegte Spannung. „Diese Beobachtung zeigte deutlich, dass selbst tief im Inneren von Einkristallen aus unmodifizierten, gewachsenen Perowskiten interne Kräfte wirken, die entgegengesetzte Ladungen trennen“, sagt Alpichshev.

Frühere Charakterisierungen von Perowskiten hatten jedoch ergeben, dass ein solches Verhalten mit ihrer intrinsischen Kristallstruktur unvereinbar ist. Um diesen Widerspruch aufzulösen, stellten die ISTA-Forscher die Hypothese auf, dass die Ladungstrennung nicht gleichmäßig über die Probe verteilt ist, sondern an sogenannten „Domänenwänden“ auftritt – Stellen mit veränderter Struktur, die mikroskopische Netzwerke bilden können, die sich über die gesamte Probe erstrecken.

Von der Hypothese zum Bild

Aber wie konnte diese Vermutung bestätigt werden? Wie lässt sich ein solches Domänenwand-Netzwerk tief im Inneren des Materials sichtbar machen, da die meisten lokalen Sonden nur auf die Oberfläche reagieren, wo die Eigenschaften erheblich variieren können?

Um diese Herausforderung zu meistern, griff Rak auf seine Ausbildung als Chemiker zurück. Da Perowskite auch gute Ionenleiter sind, fragte er sich, ob die Einführung einiger „Marker“-Ionen dazu genutzt werden könnte, Domänenwände zerstörungsfrei hervorzuheben. Um dies herauszufinden, entwickelte er eine neue elektrochemische Färbetechnik, um die Domänenwandstruktur des Materials sichtbar zu machen: Er ließ Silberionen in den Perowskitkristall diffundieren, wo sie sich bevorzugt an den Domänenwänden ansammelten. Die Ionen hat er dann elektrochemisch in metallisches Silber umgewandelt, sodass die Wissenschaftler das Netzwerk, das sich durch die gesamte Tiefe der Materialien zieht, unter dem Mikroskop direkt sichtbar machen konnten. „Diese qualitative Technik, die am ISTA erfunden und implementiert wurde, ähnelt der Angiographie in lebendem Gewebe – nur dass wir hier die Mikrostruktur eines Kristalls untersuchen“, sagt Alpichshev.

Perowskit-Solarzellen bilden Autobahnen für Elektronen

Laut Rak war die Erkenntnis, dass ein natürliches Netzwerk aus ladungstrennenden Domänenwänden den gesamten Volumenanteil von Perowskiten dicht überspannt, ein entscheidender Durchbruch. Er sagt: „Wenn ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe einer Domänenwand entsteht, zieht das lokale elektrische Feld das Elektron und das Loch auseinander und platziert sie auf gegenüberliegenden Seiten der Wand. Da sie sich nicht sofort wieder verbinden können, können sie entlang der Domänenwände driften, was auf der Zeitskala eines Ladungsträgers wie eine Ewigkeit erscheint, und dabei große Entfernungen zurücklegen.“ So demonstrierte das Team die Existenz von sogenannten „Autobahnen für Ladungsträger“ innerhalb von Perowskiten. Diese erklären die bemerkenswerten Ladungstransporteigenschaften, die Perowskite für die Energiegewinnung so effektiv machen.

Die Autoren betonen, dass die vorliegende Arbeit die erste umfassende und kohärente physikalische Erklärung für Perowskite liefert. „Mit diesem umfassenden Bild können wir endlich viele zuvor widersprüchliche Beobachtungen über Bleihalogenid-Perowskite in Einklang bringen“, sagt Rak.

Die wissenschaftliche Veröffentlichung zum Ladungstranspoftmechanismus in Perowskit-Solarzellenerschien in Nature Communications und ist unter diesem Link zu finden.

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Quelle: ISTA | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH