Die Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie haben nun in Perowskit-Schichten streifenförmige Nanostrukturen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern nachgewiesen, die als Transportpfade für Ladungen dienen könnten.
Perowskit: Wundermittel mit Wermutstropfen
Die von den Karlsruher Forschern verwendeten Perowskite sind metallorganische Verbindungen mit spezieller Kristallstruktur und hervorragenden photovoltaischen Eigenschaften. Perowskit-Solarzellen haben seit ihrer Entdeckung 2009 eine rasante Entwicklung durchlaufen und erreichen inzwischen Wirkungsgrade von über 20 Prozent. Dies macht sie zu einer der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien.
Die Forschung an Perowskit-Solarzellen steht allerdings noch vor zwei Herausforderungen: die lichtabsorbierenden Schichten robuster gegen Umwelteinflüsse zu machen sowie das darin enthaltene Schwermetall Blei durch umweltfreundlichere Elemente zu ersetzen. Dazu bedarf es tieferer Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die es ermöglichen, dass Perowskite einen so hohen Anteil der absorbierten Solarenergie in elektrische Energie umwandeln.
Der Nanostruktur auf der Spur
Ein multidisziplinäres Forscherteam hat nun Perowskit-Solarzellen mithilfe der Piezoresponse Force Microscopy, einer besonderen Rasterkraft-Mikroskopietechnik, vermessen und dabei in den lichtabsorbierenden Schichten ferroelektrische Nanostrukturen nachgewiesen. Ferroelektrizität bedeutet, dass Kristalle eine elektrische Polarisation besitzen. Dabei bilden die ferroelektrischen Kristalle Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung, sogenannte Domänen.
Die Karlsruher Wissenschaftler beobachteten, dass der Bleihalogenid-Perowskit während der Entstehung dünner Schichten rund 100 Nanometer breite streifenförmige ferroelektrische Domänen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern bildet. Diese alternierende elektrische Polarisation im Material könnte eine entscheidende Rolle beim Transport der photogenerierten Ladungen aus der Solarzelle heraus spielen und somit die besonderen Eigenschaften der Perowskite in der Photovoltaik erklären.
Die Wissenschaftler des KIT untersuchten die Ferroelektrizität von Bleihalogenid-Perowskiten im Rahmen des von der Baden-Württemberg Stiftung finanzierten Projekts NanoSolar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der renommierten Zeitschrift Energy & Environmental Science.
