Physiker am ISTA erkl\u00e4ren die au\u00dfergew\u00f6hnliche Energieausbeute von Perowskiten.<\/p>\n\n\n\n
Sie wandeln Sonnenenergie \u00fcberraschend effizient in Strom um, und das, obwohl sie mit Verunreinigungen und Defekten \u00fcbers\u00e4t sind: in einer L\u00f6sung hergestellte Blei-Halogenid-Perowskite. In einer k\u00fcrzlich in Nature Communications<\/em> ver\u00f6ffentlichten Studie pr\u00e4sentieren Physiker des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) eine umfassende Erkl\u00e4rung f\u00fcr den Mechanismus hinter der Effizienz von Perowskiten, der Forscher:innen seit langem verbl\u00fcffte.<\/p>\n\n\n\n Wie kann ein mit minimalem Aufwand hergestelltes Ger\u00e4t mit modernster Technologie konkurrieren, die \u00fcber Jahrzehnte hinweg perfektioniert wurde? In den letzten 15 Jahren hat die Materialforschung den Aufstieg von Perowskiten auf Bleihalogenid-Basis als vielversprechende Materialien f\u00fcr Solarzellen der n\u00e4chsten Generation erlebt. Das R\u00e4tsel besteht darin, dass Perowskit-Solarzellen trotz \u00e4hnlicher Leistung mit kosteng\u00fcnstigen l\u00f6sungsbasierten Techniken hergestellt werden, w\u00e4hrend die branchen\u00fcblichen Siliziumzellen hochreine, d\u00fcnne Scheiben aus einem einzelnen Kristall erfordern.<\/p>\n\n\n\n Nun haben Postdoc Dmytro Rak und Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA)<\/a> den Mechanismus hinter den einzigartigen photovoltaischen Eigenschaften von Perowskiten aufgedeckt. Ihre wichtigste Erkenntnis ist, dass \u2013 w\u00e4hrend bei der Silizium-basierte Technologie Verunreinigungen unbedingt zu vermeiden sind \u2013 es in Perowskiten eben genau das nat\u00fcrliche Netzwerk struktureller Defekte ist, das den f\u00fcr eine effiziente photovoltaische Energiegewinnung notwendigen Langstreckentransport von Ladungen erm\u00f6glicht. \u201eUnsere Arbeit liefert die erste physikalische Erkl\u00e4rung f\u00fcr diese Materialien und ber\u00fccksichtigt dabei die meisten \u2013 wenn nicht sogar alle \u2013 ihrer dokumentierten Eigenschaften\u201c, sagt Rak. Die Ergebnisse k\u00f6nnten Perowskit-basierten Solarzellen der n\u00e4chsten Generation den Weg vom Labor hinaus zur praktischen Anwendung ebnen.<\/p>\n\n\n\n Als Blei-Halogenid-Perowskite bezeichnet man eine Gruppe von Verbindungen, die in den 1970er Jahren entdeckt wurden. Sie wurden aufgrund ihrer oberfl\u00e4chlichen strukturellen \u00c4hnlichkeit mit Perowskiten benannt, einer gro\u00dfen Familie von Oxidverbindungen, die in der Materialwissenschaft eine wichtige Rolle spielen. Abgesehen von ihrer bemerkenswerten F\u00e4higkeit, stabile hybride organisch-anorganische Kristallstrukturen zu bilden, stie\u00dfen Blei-Halogenid-Perowskite jedoch zun\u00e4chst nicht auf gro\u00dfes Interesse. Nach einer Standardcharakterisierung wurden sie katalogisiert und weitgehend vergessen.<\/p>\n\n\n\n Anfang der 2010er Jahre stellten Forschende jedoch fest, dass diese Materialien eine au\u00dfergew\u00f6hnliche photovoltaische Leistung aufweisen. Perowskite erwiesen sich auch als hervorragende Materialien f\u00fcr LEDs sowie f\u00fcr die R\u00f6ntgendetektion und -bildgebung. \u201eDar\u00fcber hinaus weisen diese Materialien erstaunliche Quanteneigenschaften auf, wie beispielsweise Quantenkoh\u00e4renz bei Raumtemperatur\u201c, erkl\u00e4rt Alpichshev, dessen Gruppe am ISTA komplexe physikalische Ph\u00e4nomene der kondensierten Materie in komplexen Materialien untersucht.<\/p>\n\n\n\n Eine effiziente Solarzelle muss einfallendes Licht absorbieren und es effektiv in Ladungen umwandeln \u2013 in ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes \u201eLoch\u201c. Diese Ladungen m\u00fcssen dann an den Solarzellen-Elektroden gesammelt werden, um nutzbaren Strom zu erzeugen. Hier liegt die Herausforderung: Die Ladungen m\u00fcssen Hunderte von Mikrometern zur\u00fccklegen \u2013 f\u00fcr einen Menschen entspr\u00e4che das Hunderten von Kilometern \u2013, ohne unterwegs eingefangen zu werden.<\/p>\n\n\n\n Bei der Silizium-basierten Technologie wird dieses Problem gel\u00f6st, indem das Medium zur Sonnenenergiegewinnung nahezu frei von Defekten ist, die Ladungen einfangen k\u00f6nnten, bevor sie die Sammel-Elektroden erreichen. Das Ungew\u00f6hnliche an Perowskit-Bauelementen ist, dass sie, da sie in L\u00f6sung hergestellt werden, voller Defekte sind. Wie k\u00f6nnen Ladungen in einer solchen Umgebung lange Strecken zur\u00fccklegen, um als nutzbarer Strom gewonnen zu werden? Und warum bleiben sie sogar lange genug bestehen, um dies zu tun?<\/p>\n\n\n\n Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass Elektronen und L\u00f6cher in Perowskiten, sobald sie einen gebundenen Zustand \u2013 ein Exziton \u2013 bilden, sehr schnell verschmelzen. Angesichts dessen wird die Beobachtung, dass Elektronen und L\u00f6cher innerhalb der Materialien \u00fcber l\u00e4ngere Zeitr\u00e4ume getrennt bleiben, noch r\u00e4tselhafter. Um dieses offensichtliche Paradoxon zu erkl\u00e4ren, vermuteten die ISTA-Forscher, dass unbekannte innere Kr\u00e4fte innerhalb der Perowskite die entstehenden Elektron-Loch-Paare auseinanderrei\u00dfen und ihre Rekombination verhindern m\u00fcssen.<\/p>\n\n\n\n Um diese Hypothese zu \u00fcberpr\u00fcfen, f\u00fchrte das Team mit Hilfe nichtlinearer optischer Methoden Elektronen und L\u00f6cher tief in das Innere einer Perowskitprobe ein. Auf diese Weise konnten sie jedes Mal, wenn ein neuer Teil der Elektronen und L\u00f6cher eingef\u00fchrt wurde, einen endlichen Strom feststellen, der genau in die gleiche Richtung im Material floss \u2013 selbst ohne angelegte Spannung. \u201eDiese Beobachtung zeigte eindeutig, dass selbst tief im Inneren von unmodifizierten, gewachsenen Perowskit-Einkristallen interne Kr\u00e4fte wirken, die entgegengesetzte Ladungen voneinander trennen\u201c, sagt Alpichshev.<\/p>\n\n\n\n Fr\u00fchere Charakterisierungen von Perowskiten hatten jedoch ergeben, dass ein solches Verhalten mit ihrer intrinsischen Kristallstruktur unvereinbar sei. Um diesen Widerspruch aufzul\u00f6sen, stellten die ISTA-Forscher die Hypothese auf, dass die Ladungstrennung nicht gleichm\u00e4\u00dfig \u00fcber die Probe verteilt ist, sondern an sogenannten \u201eDom\u00e4nenw\u00e4nden\u201c auftritt \u2013 Stellen mit ver\u00e4nderter Struktur, die mikroskopische Netzwerke bilden, die sich \u00fcber die gesamte Probe erstrecken.<\/p>\n\n\n\n Aber wie konnte diese Vermutung best\u00e4tigt werden? Wie lassen sich solche Dom\u00e4nenwand-Netzwerke tief im Inneren des Volumens sichtbar machen, da die meisten lokalen Sonden nur auf die Oberfl\u00e4che reagieren, wo die Eigenschaften erheblich variieren k\u00f6nnen?<\/p>\n\n\n\n Um diese Herausforderung zu meistern, griff Rak auf seine Ausbildung als Chemiker zur\u00fcck. Da Perowskite auch gute Ionenleiter sind, wollte er wissen, ob die Einf\u00fchrung einiger \u201eMarker\u201c-Ionen dazu verwendet werden k\u00f6nnte, um die Dom\u00e4nenw\u00e4nde ohne Zerst\u00f6rung hervorzuheben. Um dies herauszufinden, entwickelte Rak eine neue elektrochemische F\u00e4rbetechnik, um die Dom\u00e4nenwandstruktur des Materials sichtbar zu machen. Er lie\u00df Silberionen in den Perowskitkristall diffundieren, wo sie sich bevorzugt an Dom\u00e4nenw\u00e4nden ansammelten. Die Ionen wurden dann elektrochemisch in metallisches Silber umgewandelt, wodurch die Wissenschafter das Netzwerk, das sich durch die gesamte Tiefe der Materialien zieht, unter dem Mikroskop direkt sichtbar machen konnten. \u201eDiese qualitative Technik, die am ISTA erfunden und implementiert wurde, \u00e4hnelt der Angiographie in lebendem Gewebe \u2013 nur dass wir die Mikrostruktur eines Kristalls untersuchen\u201c, sagt Alpichshev.<\/p>\n\n\n\n Laut Rak war die Erkenntnis, dass sich ein nat\u00fcrliches Netzwerk aus ladungstrennenden Dom\u00e4nenw\u00e4nden dicht \u00fcber den gesamten Volumenanteil von Perowskiten erstreckt, ein entscheidender Durchbruch. Er erkl\u00e4rt: \u201eWenn ein Elektron-Loch-Paar in der N\u00e4he einer Dom\u00e4nenwand entsteht, zieht das lokale elektrische Feld das Elektron und das Loch auseinander und platziert sie auf gegen\u00fcberliegenden Seiten der Wand. Da sie sich nicht sofort wieder verbinden k\u00f6nnen, k\u00f6nnen sie entlang der Dom\u00e4nenw\u00e4nde driften, was auf der Zeitskala eines Ladungstr\u00e4gers wie eine Ewigkeit erscheint, und lange Strecken zur\u00fccklegen.\u201c So demonstrierte das Team die Existenz von sogenannten \u201eAutobahnen f\u00fcr Ladungstr\u00e4ger\u201c innerhalb von Perowskiten. Dies erkl\u00e4rt die bemerkenswerten Ladungstransport-Eigenschaften, die Perowskite f\u00fcr die Energiegewinnung so effektiv machen.<\/p>\n\n\n\n Die Studienautoren betonen, dass die vorliegende Arbeit die erste umfassende und koh\u00e4rente physikalische Erkl\u00e4rung f\u00fcr Perowskite liefert. \u201eMit diesem umfassenden Bild k\u00f6nnen wir endlich viele zuvor widerspr\u00fcchliche Beobachtungen \u00fcber Blei-Halogenid-Perowskite in Einklang bringen und eine langj\u00e4hrige Debatte \u00fcber die Quelle ihrer \u00fcberlegenen Energiegewinnungseffizienz beenden\u201c, sagt Rak.<\/p>\n\n\n\n Bislang konzentrierte sich die Forschung haupts\u00e4chlich auf die Anpassung der chemischen Zusammensetzung von Perowskiten, allerdings mit begrenztem Erfolg. Nun k\u00f6nnten die Ergebnisse des ISTA-Teams Forscher:innen dabei helfen, Perowskite so zu entwickeln, dass ihre Effizienz gesteigert wird, ohne ihren kosteng\u00fcnstigen Herstellungsprozess zu beeintr\u00e4chtigen \u2013 und damit die n\u00e4chste Generation von Solarzellen einzul\u00e4uten.<\/p>\n\n\n\n ISTA 2026<\/a><\/p>\n\n\n\n <\/p>\nPerowskite: Von der Vergessenheit ins Rampenlicht<\/h4>\n\n\n\n
Grundlegend unterschiedliche Solarzellentechnologien<\/h4>\n\n\n\n
Von der Hypothese zum Bild: Silber-\u201eAngiographie\u201c<\/h4>\n\n\n\n
Autobahnen f\u00fcr Elektronen<\/h4>\n\n\n\n
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Quelle<\/h5>\r\n\n\n\n