Neues von Hybrid-Perowskiten

Lichtreflexionen auf Rekombinationsmechanismen in Solarzellenmaterialien

Hybrid-Perowskite sind spektakulär effiziente Materialien für die Photovoltaik. Nur wenige Jahre nach der Herstellung der ersten Solarzellen haben sie bereits einen Solarwirkungsgrad von mehr als 22 Prozent erreicht. Interessanterweise werden die grundlegenden Mechanismen, die für diese hohe Effizienz verantwortlich sind, immer noch heftig diskutiert. Zwei Veröffentlichungen in den US-Zeitschriften ACS Energy Letters und Advanced Energy Materials.

Starke Spin-Orbit-Kopplung in Halogenid-Perowskiten führt zu einer Spaltung der Bandkanten, was die Rekombinationsraten beeinflussen kann. Grafik © X. Zhang und J.-X. Shen

Ein gründliches Verständnis dieser Mechanismen ist unerlässlich, um weitere Verbesserungen zu ermöglichen, und computergestützte Studien, die mit dem National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Lawrence Berkeley National Laboratory durchgeführt wurden, haben zu entscheidenden neuen Erkenntnissen geführt. Chris Van de Walle’s Gruppe an der University of California, Santa Barbara (UCSB) hat über diese Durchbrüche in zwei aktuellen Publikationen berichtet: X. Zhang, J.-X. Shen, W. Wang, und C. G. Van de Walle, ACS Energy Lett. 3, 2329 (2018) und J.-X. Shen, X. Zhang, S. Das, E. Kioupakis und C. G. Van de Walle, Adv. Energy Mater. 8, 1801027 (2018).

Hybrid-Perowskite bilden eine Gruppe von Materialien, die organische Moleküle mit einem anorganischen Gerüst in einer Perowskit-Gitterstruktur kombinieren. Eine Reihe von Forschungsgruppen führte die hohe Effizienz der hybriden Perowskite zuvor auf eine indirekte Bandlücke zurück, die durch eine starke Spin-Orbit-Kopplung entsteht. Es wurde argumentiert, dass die indirekte Natur des Spaltes die strahlende Rekombination zwischen Elektronen und Löchern unterdrückt und somit unerwünschte Trägerrekombination minimiert. UCSB-Postdoc Xie Zhang und der Doktorand Jimmy-Xuan Shen (der inzwischen seinen Abschluss gemacht hat) zeigten, dass dies falsch war, indem sie einen innovativen, ersten Prinzipienansatz entwickelten, um die Spin-Textur der Bandkanten genau zu bestimmen und die radiativen Rekombinationsraten quantitativ zu berechnen. Für Methylammoniumbleiiodid (den Prototyp des hybriden Perowskits, allgemein als MAPI bezeichnet) fanden sie heraus, dass die strahlende Rekombination tatsächlich so stark ist wie bei herkömmlichen Direkt-Spalt Halbleitern. “Dieses Ergebnis sollte fehlgesteuerten Versuchen, Geräteeigenschaften zu analysieren und zu entwerfen, die auf falschen Annahmen über die Rekombinationsrate basieren, ein Ende setzen”, sagt Zhang.

Durch die starke strahlende Rekombination sind diese Materialien auch für Anwendungen mit lichtemittierenden Dioden (LED) geeignet. Allerdings sind die Stromdichten in LEDs viel höher als in Solarzellen, und bei hohen Trägerkonzentrationen können nichtstrahlende Rekombinationsprozesse schädlich werden. Solche nichtstrahlenden Verluste wurden beobachtet, aber experimentell ist es nicht möglich, die mikroskopischen Ursprünge zu identifizieren. Shen und Zhang bauten auf der Expertise der Van de Walle-Gruppe auf, um die Rekombinationsrate aus ersten Prinzipien genau zu berechnen. Es gelang ihnen auch, die Rate präzise mit den Merkmalen der elektronischen Struktur zu verknüpfen.

“Die Spiralrekombination ist ein Prozess, bei dem zwei Träger über die Bandlücke rekombinieren und die überschüssige Energie auf einen dritten Träger übertragen wird”, erklärt Shen. “Wir haben festgestellt, dass der Auger-Koeffizient in MAPI unerwartet groß ist: zwei Größenordnungen größer als bei anderen Halbleitern mit vergleichbaren Bandlücken.” Die Forscher identifizierten zwei verschiedene Merkmale des Materials, die dafür verantwortlich sind: eine Resonanz zwischen dem Bandabstand und der spinorbitinduzierten Spaltung der Leitungsbänder und das Vorhandensein von strukturellen Verzerrungen, die den Schneckenprozess fördern.

“Diese Berechnungen sind äußerst anspruchsvoll, und die Rechenleistung des NERSC hat wesentlich dazu beigetragen, diese Ergebnisse zu erzielen”, kommentiert Van de Walle. “Wir konnten zeigen, dass Verluste unterdrückt werden können, wenn Gitterverzerrungen reduziert werden, und wir schlagen spezifische Ansätze vor, um dies in realen Materialien zu erreichen.”

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