{"id":100664,"date":"2024-07-18T12:32:00","date_gmt":"2024-07-18T10:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=100664"},"modified":"2024-07-18T12:39:31","modified_gmt":"2024-07-18T10:39:31","slug":"kleine-schritte-fuer-elektronen-grosse-schritte-fuer-die-solarzellen-der-zukunft","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/kleine-schritte-fuer-elektronen-grosse-schritte-fuer-die-solarzellen-der-zukunft\/","title":{"rendered":"Kleine Schritte f\u00fcr Elektronen \u2013 gro\u00dfe Schritte f\u00fcr die Solarzellen der Zukunft?"},"content":{"rendered":"\n

Physikerinnen und Physiker an der Universit\u00e4t Regensburg und der Universit\u00e4t Oxford enth\u00fcllen mit einem ultraschnellen Mikroskop, wie sich Elektronen in einem neuartigen Solarzellen-Material bewegen. Die Ergebnisse liefern Einsichten, wie das Material noch effizienter f\u00fcr Photovoltaik genutzt werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Auf dem Weg zu effizienteren und nachhaltigeren Methoden der Energiegewinnung ist die Materialklasse der Metall-Halogenid-Perowskite ein vielversprechender Hoffnungstr\u00e4ger. Neuartige Solarzellen auf Basis dieses Materials erreichten innerhalb k\u00fcrzester Zeit nach ihrer Entdeckung Effizienzen, die mit kommerziellen Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Dar\u00fcber hinaus haben Perowskit-Solarzellen weitere entscheidende Vorteile: Die Herstellungs- und Energiekosten sind verglichen mit der etablierten Silizium-Technologie gering, da sie durch kosteng\u00fcnstige Beschichtungsverfahren produziert werden k\u00f6nnen. Au\u00dferdem sind die Newcomer in der Photovoltaik flexibel und leicht, was ihren Einsatz auf verschiedensten Oberfl\u00e4chen erm\u00f6glicht \u2013 von tragbarer Elektronik bis hin zu innovativen Geb\u00e4udefassaden.<\/p>\n\n\n\n

Doch wie funktioniert so eine Solarzelle eigentlich? <\/h4>\n\n\n\n

Das Sonnenlicht, welches aus einzelnen Lichtquanten \u2013 sogenannten Photonen \u2013 besteht, wird in der Solarzelle absorbiert. Dabei geben die Photonen ihre Energie an Elektronen ab, welche dadurch auf h\u00f6herenergetische Bahnen gehoben werden, wo sie sich freier bewegen k\u00f6nnen. Diese werden an geeigneten elektrischen Kontakten extrahiert und so in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Die Effizienz einer Solarzelle h\u00e4ngt dabei entscheidend davon ab, wie leicht sich diese kurzlebigen Ladungstr\u00e4ger durch das Material bewegen k\u00f6nnen, um die Kontakte zu erreichen, ehe sie wieder zerfallen. Um Solarzellen weiter gezielt zu optimieren, ist es also wichtig, genau zu verstehen, wie dieser Transport abl\u00e4uft \u2013 welche Wege die Elektronen nehmen und wodurch die Bewegung eingeschr\u00e4nkt wird.<\/p>\n\n\n

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K\u00fcnstlerische Darstellung der vertikalen Bewegung von Elektronen (blitzartige Trajektorien) durch die Nanokristallite eines Metallhalogenid-Perowskitfilms. Das Zusammenspiel dieses Ladungstransports mit der kristallographischen Konfiguration, der chemischen Zusammensetzung und der Morphologie kann mit einem innovativen Ansatz auf der Grundlage der ultraschnellen Nahfeldmikroskopie aufgekl\u00e4rt werden.
\u00a9 Brad Baxley (Part to Whole)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Genau dies ist Forscherinnen und Forschern an der Universit\u00e4t Regensburg um Prof. Dr. Rupert Huber nun mit einem neuartigen ultraschnellen Mikroskop an ma\u00dfgeschneiderten Proben von Prof. Dr. Michael Johnston (Oxford University) gelungen. Das Team konnte gezielt freie Elektronen erzeugen und deren Diffusion auf ultrakurzen Zeitskalen verfolgen. Dies stellte bei Perowskit-Solarzellen bisher eine besondere Herausforderung dar, da diese nicht homogen sind, sondern aus vielen kleinen K\u00f6rnern bestehen, die nur Hunderte Nanometer \u2013 der milliardste Bruchteil eines Meters \u2013 gro\u00df sind. Gleichzeitig sind diese Nanokristalle nicht alle identisch, sondern k\u00f6nnen bei Raumtemperatur in einer von zwei unterschiedlichen atomaren Strukturen vorkommen, von denen nur eine zur Nutzung in Solarzellen geeignet ist. Es ist also wichtig, genau zu wissen, wo man sich auf der Probe befindet und welcher kristalline Aufbau gerade untersucht wird. Daher verwendeten die Forschenden ein Mikroskop, mit dem sie die Position ihrer Messung auf Nanometer genau kontrollieren und gleichzeitig mithilfe optischer Methoden extrahieren k\u00f6nnen, ob sie gerade auf einem Kristallit mit dem richtigen atomaren Aufbau sitzen. \u201eWir bringen die Atome in den Nanokristalliten zum Schwingen. Dies hinterl\u00e4sst, abh\u00e4ngig von der Anordnung der Atome, eindeutig zuordenbare Signaturen im gestreuten Licht \u2013 so etwas wie einen Fingerabdruck. Damit k\u00f6nnen wir genau r\u00fcckschlie\u00dfen, wie die Atome in den jeweiligen Kristalliten angeordnet sind\u201c, erkl\u00e4rt Martin Zizlsperger, Erstautor der Ver\u00f6ffentlichung.<\/p>\n\n\n\n

Nachdem das Team so die genaue Form und Kristallstruktur der Nanofelsen kannte, beleuchtete es die Probe mit einem kurzen Lichtimpuls, der \u2013 wie die Sonne \u2013 Elektronen in bewegliche Zust\u00e4nde anregte. Die folgende Bewegung der Ladungen konnten die Forschenden daraufhin mit einem zweiten Laserimpuls ausmessen.  \u201eSehr vereinfacht gesprochen, wirken die Ladungen wie ein Spiegel. Wenn sich diese Ladungen nun z.B. nach unten weg von unserem Messpunkt bewegen, dann wird der zweite Laserimpuls sp\u00e4ter reflektiert. Aus diesem winzigen Zeitversatz von nur wenigen Femtosekunden \u2013 wobei eine Femtosekunde dem millionsten Bruchteil einer milliardstel Sekunde entspricht \u2013 k\u00f6nnen wir die genaue Bewegung der Ladungen rekonstruieren\u201c, erkl\u00e4rt Mitautorin Svenja Nerreter.<\/p>\n\n\n\n

Dadurch gelang es, genau dabei zuzuschauen, wie sich die angeregten Elektronen durch das Labyrinth aus verschiedenen Kristalliten bewegen. Insbesondere konnten die Forschenden damit auch die technisch besonders relevante Bewegung in die Solarzelle hinein nach der Anregung untersuchen. Die Ergebnisse waren \u00fcberraschend: Obwohl das Material aus vielen unterschiedlichen Nanokristallen besteht, ist der vertikale Ladungstransport auf der Nanometer-L\u00e4ngenskala unbeeinflusst von Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten in der genauen Form der Nanokristallite \u2013 ein m\u00f6glicher Grund f\u00fcr den Erfolg von Perowskit-Solarzellen. Als die Forschenden auch gro\u00dffl\u00e4chigere Regionen auf der Skala mehrerer hundert Mikrometer untersuchten, zeigte sich allerdings auch, dass es Unterschiede zwischen Mikrometer-gro\u00dfen Regionen aus hunderten kleinen Nanokristalliten gibt, wobei einige Regionen effizienter im Ladungstransport sind als andere. <\/p>\n\n\n\n

Diese lokalen Hotspots k\u00f6nnten f\u00fcr die Entwicklung neuer Solarzellen von gro\u00dfer Bedeutung sein. Die neuartige Messmethode der Forscherinnen und Forscher kann direkt Einblick in die Verteilung und Effizienz der einzelnen Regionen geben und ist ein wichtiger Schritt zur weiteren Verbesserung von Perowskit-Solarzellen. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics ver\u00f6ffentlicht. \u201eUnsere neu entwickelte Methode erlaubt uns erstmals, das komplexe Zusammenspiel zwischen Ladungstransport, Kristallkonfiguration und der Form der Kristallite direkt auf der Nanoskala zu beobachten. Damit kann sie genutzt werden, um Perowskit-Solarzellen gezielt weiter zu verbessern\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Huber. Die neuartige Messmethode ist aber nicht nur auf moderne Solarzellen beschr\u00e4nkt, denn das Wechselspiel zwischen Struktur und Ladungstransport ist f\u00fcr eine Vielzahl moderner Anwendungen von zentraler Bedeutung. So k\u00f6nnte der Durchbruch auch f\u00fcr die Entwicklung von ultimativ kleinen und schnellen Transistoren sowie f\u00fcr die Erkl\u00e4rung eines der gr\u00f6\u00dften R\u00e4tsel der Festk\u00f6rperphysik \u2013 Hochtemperatur-Supraleitung \u2013 eine wertvolle Hilfe sein.<\/p>\n\n\n\n