Perowskit-Solarzelle in Aktion aufgenommen

Mögliche Erklärung des hohen Wirkungsgrades

Perowskit-Kristalle könnten die Produktionskosten für Solarzellen drastisch sinken lassen, schreibt Jan Oliver Löfken in Wissenschaft aktuell. Denn: “Binnen weniger Jahre ließ sich ihr Wirkungsgrad von knapp vier auf mehr als 20 Prozent steigern”. Warum, war bisher unklar. Einen “verblüffenden Einblick in die für die Stromerzeugung wichtigen Prozesse” (Löfken) erlaubt nun ein Video der atomaren Bewegungen in dünnen Perowskit-Kristallen von Wissenschaftlern der Stanford-Universität – in Science Advances berichten sie über ungewöhnlich langlebige Verformungen der Kristallstruktur. Diese könnten zu einem besseren Verständnis des Transports elektrischer Ladungen in Perowskit-Solarzellen beitragen.

[note Der neuen SLAC-Studie zufolge reagieren Atome in Perowskiten auf Licht mit ungewöhnlichen Rotationsbewegungen und Verzerrungen, was die hohe Effizienz dieser Solarzellenmaterialien der nächsten Generation erklären könnte. Bild © Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory]

“Wir haben einen Schritt auf die Lösung des Geheimnisses zu gemacht”, sagte der Senior Author des Papers, Aaron Lindenberg vom Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) und dem Stanford PULSE Institute of Ultrafast Science, die gemeinsam von der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford-Universität in Menlo Park betrieben werden. “Wir haben Videos aufgenommen, die zeigen, dass bestimmte Atome in einem Perowskit  innerhalb einer Billionstel Sekunde in sehr ungewöhnlicher Weise auf Licht reagieren. Dies kann den Transport von elektrischen Ladungen durch das Material erleichtern und seine Effizienz steigern. ”

Und Postdoktorandin Xiaoxi Wu, Leitautorin der Studie, ergänzt: „Wir haben entdeckt, dass Licht große Verformungen in dem Netzwerk aus Iod- und Blei-Atomen verursachte“. Diese könnten eine Ursache für die große Effizienz der Perowskitzellen bilden. Für diesen Einblick beleuchteten Wu und ihre Kollegen des Teams um Aaron Lindenberg extrem dünne Perowskit-Kristallschichten mit kurzen Laserimpulsen. Löfken: “Nach dieser Anregung der Kristallstruktur mit sichtbarem Licht lenkten sie einen stark fokussierten Strahl aus Elektronen auf ihre Probe. Diese Elektronen wurden von der Perowskit-Kristallschicht gestreut und mit einem empfindlichen Detektor wieder aufgefangen. Daraus entstand ein Beugungsbild der Elektronen, das eine Rekonstruktion der atomaren Struktur der Kristalle erlaubte – und aus der Wiederholung ein Film, der die Verformungen im Perowskit-Kristallgitter bis auf den Bruchteil eines Nanometers genau sichtbar machte.”

[note Licht trennt elektrische Ladungen in einem Solarzellenmaterial durch Verschieben negativ geladener Elektronen. Dies verursacht auch Mangel an Elektronen, genannt “Elektronenlöcher”, mit einer positiven Ladung. Elektronen und Löcher wandern zu den gegenüberliegenden Seiten des Materials und erzeugen eine Spannung für elektrische Anwendungen. Bild © Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory]

Xiaoxi Wu: “Einfachere Verarbeitung bedeutet niedrigere Kosten. Im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen sind Perovskit-Dünnfilme auch noch leicht und flexibel und lassen sich problemlos auf nahezu jeder Oberfläche anwenden.” Und. “Diese Bewegung könnte die Art verändern, wie sich Ladungen bewegen”, sagte Wu. “Diese Reaktion auf Licht könnte die Effizienz steigern, zum Beispiel indem sie erlaubt, dass elektrische Ladungen durch Defekte migrieren und sie daran hindern, in dem Material gefangen zu bleiben.”

Quellen: