Forschung & Entwicklung

Elektronen auf der Überholspur

Mikroskopische Strukturen in Perowskitkristallen können den Ladungstransport in der Solarzelle lenken. Eine geschickte Ausrichtung dieser Elektronenautobahnen könnte Perowskitsolarzellen noch leistungsfähiger machen.

Mikroskopisch kleine Strukturen in den Perowskiten – sogenannte ferroelastische Zwillingsdomänen – können beeinflussen, wie schnell sich die Elektronen bewegen. Dies hat eine internationale Forschungsgruppe um Stefan Weber am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz herausgefunden. Die streifenförmigen Strukturen, die die Wissenschaftler untersuchten, entstehen spontan im Zuge der Herstellung der Perowskite durch mechanische Spannungen im Material. Durch die Kombination zweier Mikroskopiemethoden konnten die Forscher jetzt zeigen, dass sich die Elektronen parallel zu den Streifen deutlich schneller bewegen als senkrecht dazu. „Die Domänen sind wie winzige Autobahnen für die Elektronen“, zieht Stefan Weber den Vergleich.

Für ihre Experimente musste das Team um Weber zunächst die streifenförmigen Domänen nachweisen. Dies gelang ihnen mit einem Piezo-Kraftmikroskop (PFM). Bereits vor fünf Jahren entdeckten sie mit dieser Methode erstmals die Domänen in einem Perowskitkristall. „Schon damals fragten wir uns, ob die Strukturen Einfluss auf die Funktionsweise einer Perowskitsolarzelle haben“, sagt Weber. „Unsere neuesten Ergebnisse zeigen jetzt, dass dies der Fall ist.“

Der Beweis gelang, indem die Forscher ihre PFM-Bilder mit den Daten einer anderen Methode, der Fotolumineszenzmikroskopie, verglichen. „Unser Fotolumineszenzdetektor funktioniert ähnlich wie eine Radarfalle“, erklärt Ilka Hermes, Forscherin in Webers Gruppe. „Wir messen damit auf mikroskopischer Ebene die Geschwindigkeiten der Elektronen in verschiedene Richtungen.“ Dabei stellte Hermes fest: Entlang der Streifen bewegten sich die Elektronen um rund 50 bis 60 % schneller als senkrecht dazu. „Perowskitsolarzellen, bei denen man darauf achtet, dass die Streifen direkt zu den Elektroden zeigen, würden also deutlich effizienter“, schlussfolgert Hermes.

Und nicht nur Solarzellen ließen sich dadurch verbessern. Auch andere optoelektronische Anwendungen wie Leuchtdioden oder Strahlungsdetektoren könnten von einem gerichteten Ladungstransport profitieren. Generell sei es von Vorteil, wenn sich die Elektronen in die richtige Richtung lenken ließen. Die Idee der Forscher: Perowskitkristalle könnten während ihrer Herstellung gezielt unter mechanische Spannung gesetzt werden. Durch dieses sogenannte strain engineering ließen sich die Elektronenautobahnen optimal ausrichten.

von mn

Originalveröffentlichung:

[I. M. Hermes et al., Anisotropic carrier diffusion in single MAPbI3 grains correlates to their twin domains, Energy & Environmental Science (2020), DOI: 10.1039/D0EE01016B]

www.mpip-mainz.mpg.de

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