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.

Weitere Infos

 

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen