Perowskit-Solarzellen: Mögliche Ursache für hohe Wirkungsgrade aufgedeckt
Die Zeichnung verdeutlicht, wie das organische Methylammoniumion (CH3NH3+) mit den Jodid-Ionen wechselwirkt. Durch die Verschiebung der Jod-Atome aus der gemeinsamen Ebene mit Blei geht das Symmetriezentrum verloren. © HZB
Ein HZB-Team hat durch kristallographische Analysen an der Synchrotronquelle Diamond Light Source (DLS) in Großbritannien erstmals nachgewiesen, dass Hybrid-Perowskite ohne Inversions-Zentren auskristallisieren. Durch Wechselwirkungen zwischen den organischen Molekülen und benachbarten Jod-Atomen können sich so ferroelektrische Domänen bilden, die über weitere Effekte höhere Wirkungsgrade in Solarzellen ermöglichen. In anorganischen Perowskiten kann diese ferroelektrische Domänenbildung nicht stattfinden. Solarzellen auf Basis von Perowskiten haben in nur wenigen Jahren enorm hohe Wirkungsgrade erreicht. Dabei zeichnen sich Solarzellen mit Hybrid-Perowskiten, die aus anorganischen wie organischen Komponenten bestehen, durch besonders hohe Wirkungsgrade aus, sind allerdings bislang noch nicht langzeitstabil. Anorganische Perowskit-Halbleiter wie CsPbI3 sind zwar weniger effizient, gelten jedoch aufgrund ihrer höheren Stabilität ebenfalls als interessante Materialien für die Photovoltaik.
Schwierige Strukturanalyse
Bisher
ging man davon aus, dass sich hybride und anorganische Perowskite im
kristallinen Aufbau nicht grundsätzlich unterscheiden. Bei der
Herstellung von Perowskit-Materialien bildet sich jedoch in der Regel
nicht ein einziger großer Kristall, sondern unzählige winzige
Zwillingskristalle. Dies macht die Analyse der Kristallstruktur
kompliziert und fehleranfällig.
Kristalle von MAPbI3 untersucht
Nun
ist einem HZB-Team um Prof. Dr. Susan Schorr und Dr. Joachim Breternitz
ein Durchbruch im Verständnis der kristallinen Struktur von hybriden
Perowskiten gelungen. Das HZB-Team untersuchte kristalline Proben von
MAPbI3, dem prominentesten Vertreter dieser Materialien. Die
Analysen fanden an der Synchrotronquelle Diamond Light Source (DLS) in
Großbritannien statt.
Ferroelektrische Domänen?
Dabei
konnten sie auch klären, ob überhaupt ferroelektrische Effekte in
diesem hybriden Perowskitmaterial möglich sind. Ferroelektrische Domänen
können in Solarzellen günstige Auswirkungen haben und den Wirkungsgrad
steigern. Messungen dieses Effekts an Proben sind jedoch schwierig – ein
Nullergebnis kann entweder bedeuten, dass es keinen ferroelektrischen
Effekt gibt, oder dass sich die ferroelektrischen Domänen gegenseitig
aufheben.
Kein Inversionszentrum in MAPbI3
„Aus
kristallographischer Sicht gibt es einige notwendige Bedingungen für
Ferroelektrizität: Ein ferroelektrischer Effekt kann nur dann auftreten,
wenn die Kristallstruktur kein Inversionszentrum enthält und zusätzlich
ein permanentes polares Moment aufweist“ erklärt Breternitz.
Bislang ging man davon aus, dass die Kristallstruktur von MAPbI3
ein Inversionszentrum enthält. Dies ist jedoch nicht der Fall, zeigen
die Ergebnisse der Kristallstrukturanalyse: „Dabei spielt das organische
Kation MA+ eine tragende Rolle“, erklärt Breternitz. Denn
das MA-Molekül ist nicht kugelsymmetrisch und auch deutlich größer als
ein einzelnes Atom, sodass es mit den benachbarten Jod-Atomen ein
polares Moment erzeugt.
Unterschiede zu anorganischen Perowskiten
Damit sind ferroelektrische Domänen in MAPbI3
möglich. Bei anorganischen Perowskiten, in denen anstelle des
MA-Moleküls ein Alkali-Atom eingebaut ist, greift dieser Mechanismus
nicht. Damit sind möglicherweise die stabileren anorganischen Perowskite
grundsätzlich etwas begrenzter in ihrem Wirkungsgrad als ihre hybriden
Verwandten.