Wie kann ein Gerät, das mit minimalem Aufwand hergestellt wurde, mit modernster Technologie konkurrieren, die über Jahrzehnte hinweg perfektioniert wurde? In den letzten 15 Jahren hat die Materialforschung den Aufstieg von Perowskiten auf Bleihalogenid-Basis als vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation erlebt. Das Rätsel besteht darin, dass Perowskit-Solarzellen trotz ähnlicher Leistung mit kostengünstigen, lösungsbasierten Techniken hergestellt werden können, während die branchenüblichen Siliziumzellen hochreine, dünne Scheiben aus einem einzelnen Kristall erfordern.
Am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben der Postdoc Dmytro Rak und der Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev den Mechanismus hinter den einzigartigen photovoltaischen Eigenschaften von Perowskiten aufgedeckt. Ihre wichtigste Erkenntnis ist, dass es bei der siliziumbasierten Technologie unbedingt zu vermeiden ist, Verunreinigungen hinzuzufügen, während es bei Perowskiten eben genau das natürliche Netzwerk struktureller Defekte ist, 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 Perowskit-basierten Solarzellen den Weg von der Laborforschung zur praktischen Anwendung ebnen.
Perowskite: Von der Vergessenheit ins Rampenlicht
Als Blei-Halogenid-Perowskite bezeichnet man eine Gruppe von Verbindungen, die in den 1970er Jahren entdeckt wurden. Sie wurden aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit Perowskiten benannt, einer großen Gruppe von Oxidverbindungen, die in der Materialwissenschaft eine wichtige Rolle spielen. Abgesehen von ihrer bemerkenswerten Fähigkeit, stabile hybride organisch-anorganische Kristallstrukturen zu bilden, stießen Blei-Halogenid-Perowskite zunächst jedoch nicht auf großes Interesse. Nach einer Standardcharakterisierung wurden sie katalogisiert und weitgehend vergessen.
Anfang der 2010er Jahre stellten Forschende jedoch fest, dass diese Materialien eine außergewöhnliche photovoltaische Leistung aufweisen. Perowskite erwiesen sich auch als hervorragende Materialien für LEDs sowie für die Röntgendetektion und -bildgebung. „Darüber hinaus weisen diese Materialien erstaunliche Quanteneigenschaften auf, wie beispielsweise Quantenkohärenz bei Raumtemperatur“, erklärt Alpichshev, dessen Gruppe am ISTA komplexe physikalische Phänomene der kondensierten Materie in komplexen Materialien untersucht.
Grundlegend unterschiedliche Solarzellentechnologien
Eine effiziente Solarzelle muss einfallendes Licht absorbieren und es effektiv in Ladungen umwandeln, das heißt in ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes „Loch“. Diese Ladungen müssen anschließend an den Elektroden der Solarzelle gesammelt werden, um nutzbaren Strom zu erzeugen. Die Herausforderung besteht darin, dass die Ladungen Hunderte von Mikrometern zurücklegen müssen – für einen Menschen entspräche das Hunderten von Kilometern –, ohne unterwegs eingefangen zu werden.
Bei der siliziumbasierten Technologie wird dieses Problem gelöst, indem das Medium zur Sonnenenergiegewinnung nahezu frei von Defekten ist, die die Ladungen auf ihrem Weg zu den Sammelelektroden einfangen könnten. Das Ungewöhnliche an Perowskit-Bauelementen ist, dass sie, da sie in Lösung hergestellt werden, voller Defekte sind. Wie können Ladungen in einer solchen Umgebung lange Strecken zurücklegen, um als nutzbarer Strom gewonnen zu werden? Und warum bleiben sie sogar lange genug bestehen, um dies zu tun?
Von der Hypothese zum Bild: Silber-„Angiographie“
Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass Elektronen und Löcher in Perowskiten sehr schnell verschmelzen, sobald sie einen gebundenen Zustand – ein Exziton – bilden. 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 die entstehenden Elektron-Loch-Paare in den Perowskiten auseinanderreißen und ihre Rekombination verhindern müssen.
Um diese Hypothese zu überprüfen, führte das Team mithilfe nichtlinearer optischer Methoden Elektronen und Löcher tief in das Innere einer Perowskitprobe ein. Dabei stellten sie jedes Mal, wenn neue Elektronen und Löcher eingeführt wurden, einen endlichen Strom fest, der genau in die gleiche Richtung im Material floss – selbst ohne angelegte Spannung. „Diese Beobachtung zeigt eindeutig, dass selbst tief im Inneren von unmodifizierten, gewachsenen Perowskit-Einkristallen interne Kräfte wirken, die entgegengesetzte Ladungen voneinander 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. Dabei handelt es sich um Stellen mit veränderter Struktur, die mikroskopische Netzwerke bilden, welche sich über die gesamte Probe erstrecken.
Doch wie konnte diese Vermutung bestätigt werden? Wie lassen sich solche Domänenwand-Netzwerke im Inneren der Probe 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, wollte er herausfinden, ob sich einige „Marker“-Ionen dazu eignen, die Domänenwände ohne Zerstörung hervorzuheben. Um dies herauszufinden, entwickelte Rak eine neue elektrochemische Färbetechnik, mit der sich die Domänenwandstruktur des Materials sichtbar machen lässt. Er ließ Silberionen in den Perowskitkristall diffundieren, wo sie sich bevorzugt an den Domänenwänden ansammelten. Die Ionen wurden dann elektrochemisch in metallisches Silber umgewandelt, wodurch die Wissenschaftler das sich durch die gesamte Tiefe des Materials ziehende Netzwerk 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 die Mikrostruktur eines Kristalls untersuchen“, sagt Alpichshev.
Die Autobahnen für Elektronen
Rak zufolge war die Erkenntnis, dass sich ein natürliches Netzwerk aus ladungstrennenden Domänenwänden über den gesamten Volumenanteil von Perowskiten erstreckt, ein entscheidender Durchbruch. Er erklärt: „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 lange Strecken zurücklegen.“ So demonstrierte das Team die Existenz von sogenannten „Autobahnen für Ladungsträger“ innerhalb von Perowskiten. Dies erklärt die bemerkenswerten Ladungstransporteigenschaften, die Perowskite für die Energiegewinnung so effektiv machen.
Die Studienautoren 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 Blei-Halogenid-Perowskite in Einklang bringen und eine langjährige Debatte über die Quelle ihrer überlegenen Energiegewinnungseffizienz beenden“, sagt Rak.
Bislang konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf die Anpassung der chemischen Zusammensetzung von Perowskiten – allerdings mit begrenztem Erfolg. Nun könnten die Ergebnisse des ISTA-Teams Forscherinnen und Forscher dabei helfen, Perowskite so zu entwickeln, dass ihre Effizienz gesteigert wird, ohne ihren kostengünstigen Herstellungsprozess zu beeinträchtigen – und damit die nächste Generation von Solarzellen einzuläuten.
