20.11.2019 • Energie

Hybrid-Perowskite kristallisieren ohne Inversionszentren aus

Ferroelektrische Domänen ermöglichen höhere Wirkungsgrade in Solarzellen.

Kristallographische Analysen an der Synchrotronquelle Diamond Light Source in Großbritannien durch ein deutsch-britisches Forscherteam zeigen erstmals, dass Hybrid-Perowskite ohne Inversionszentren 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.

Abb.: Die Darstellung verdeutlicht, wie das organische Methylammoniumion... — Abb.: Die Darstellung verdeutlicht, wie das organische Methylammoniumion (CH3NH3+) mit den Jodid-Ionen wechselwirkt. Dadurch geht das Symmetriezentrum verloren. (Bild: HZB)

Solarzellen auf Basis von Perowskiten haben in 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.

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.

Einem Team um Susan Schorr und Joachim Breternitz vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie ist jetzt ein Durchbruch im Verständnis der kristallinen Struktur von hybriden Perowskiten gelungen. Die Forscher untersuchte kristalline Proben von MAPbI3, dem prominentesten Vertreter dieser Materialien, an der Synchrotronquelle Diamond Light Source. 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.

„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, wie die Ergebnisse der Kristallstrukturanalyse zeigen. „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. 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.