Ionische Defekte in Perowskit-Solarzellen

Die Gruppe der Metall­halogenid-Perowskite hat in den letzten Jahren den Bereich der Photovoltaik revolutioniert. Metall­halogenid-Perowskite sind kristalline Strukturen, die zwar sehr variabel zusammen­gesetzt sind, aber trotzdem eine sehr ähnliche Kristallstruktur (ABX₃) aufweisen. Hierbei können A, B und X eine Kombination verschiedener organischer und anorganischer Ionen darstellen. Diese Materialien weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sich ideal für die Anwendung in Solarzellen eignen und dazu beitragen könnten, optische Bauteile wie Laser, Leuchtdioden oder Photo­detektoren wesentlich effizienter zu machen. Mit Blick auf eine ressourcen- und energie­effiziente Technologie ist die Relevanz der Erforschung dieser Materialien sehr hoch.

Zu den besonderen Eigenschaften von Metall­halogenid-Perowskiten gehören ihr hohes Lichtsammel­vermögen und die bemerkens­werte Fähigkeit, Sonnenenergie effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Eine weitere Besonderheit dieser Perowskite ist, dass sowohl Elektronen als auch Ionen in ihnen beweglich sind. Während der Elektronen­transport ein grundlegender Prozess ist, der für den photo­voltaischen Betrieb der Solarzelle erforderlich ist, haben ionische Defekte und Ionen­transport oft unerwünschte Konsequenzen auf die Leistungs­fähigkeit dieser Bauteile. Trotz bedeutender Fortschritte auf diesem Forschungs­gebiet sind noch viele Fragen zur Physik der Ionen in Perowskit­materialien offen. Auf dem Weg zu einem besseren Verständnis dieser Strukturen sind die Technischen Universitäten in Chemnitz und Dresden nun einen großen Schritt weiter­gekommen.

In einer gemeinsamen Untersuchung der Forschungs­gruppen um Yana Vaynzof, TU Dresden, und Carsten Deibel, TU Chemnitz, deckten die beiden Teams die ionische Defektlandschaft in Metall­halogenid-Perowskiten auf. Dabei konnten wesentliche Eigenschaften der Ionen, aus denen diese Materialien bestehen, identifiziert werden. Die Migration der Ionen führt zum Vorhandensein von Defekten im Material, welche sich negativ auf die Effizienz und Stabilität von daraus gebauten Solarzellen auswirken. Die Arbeits­gruppen stellten fest, dass die Bewegung aller beobachteten Ionen trotz ihrer unter­schiedlichen Eigenschaften einem gemeinsamen Transport­mechanismus folgt und zudem eine Zuordnung von Defekten und Ionen ermöglicht. Dies ist als Meyer-Neldel-Regel bekannt.

„Die Untersuchung der ionischen Defekt­landschaft von Perowskiten ist keine einfache Aufgabe“, sagt Sebastian Reichert von der TU Chemnitz. „Wir mussten eine umfangreiche spektro­skopische Charak­terisierung an Perowskit­proben durchführen, in welche die ionischen Defekte absichtlich eingebracht und deren Typ und Dichte schrittweise variiert wurden. Daher war das Fachwissen beider Teams von unschätz­barem Wert“, erklärt Reichert. „Eines der wichtigsten Ergebnisse unserer Studie ist das komplizierte Wechsel­spiel zwischen den ionischen und elektronischen Landschaften in Perowskit­materialien aufzuklären“, ergänzt Vaynzof. „Durch die Veränderung der Dichte der verschiedenen ionischen Defekte in Perowskit­materialien beobachten wir, dass die Diffusionsspannung und die Leerlauf­spannung der Bauelemente beeinflusst werden. Dies unterstreicht, dass das Defekt-Engineering ein mächtiges Werkzeug ist, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen über den aktuellen Stand hinaus zu steigern.“

Die gemeinsame Untersuchung Studie ergab auch, dass alle ionischen Defekte die Meyer-Neldel-Regel erfüllen. „Dies ist sehr spannend, da es grundlegende Infor­mationen über den Transport­mechanismus von Ionen in Perowskiten offenbart“, sagt Deibel. „Wir haben derzeit zwei Hypothesen über den Ursprung dieser Beobachtung und planen, diese in unseren zukünftigen Studien zu untersuchen“.

TU Chemnitz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Reichert et al.: Probing the ionic defect landscape in halide perovskite solar cells, Nat. Commun. 11, 6098 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-19769-8
• Neuartige Elektronik-Technologien, Institut für Angewandte Physik, TU Dresden
• Optik und Photonik kondensierter Materie, TU Chemnitz