Wie kann ein mit minimalem Aufwand hergestelltes Gerät mit modernster Technologie konkurrieren, die über Jahrzehnte hinweg perfektioniert wurde? In den letzten 15 Jahren hat die Materialforschung den Aufstieg von Perowskiten auf Bleihalogenid-Basis als vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation erlebt. Das Rätsel besteht darin, dass Perowskit-Solarzellen trotz ähnlicher Leistung mit kostengünstigen lösungsbasierten Techniken hergestellt werden, während die branchenüblichen Siliziumzellen hochreine, dünne Scheiben aus einem einzelnen Kristall erfordern.
Nun haben Postdoc Dmytro Rak und Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) den Mechanismus hinter den einzigartigen photovoltaischen Eigenschaften von Perowskiten aufgedeckt. Ihre wichtigste Erkenntnis ist, dass – während bei der Silizium-basierte Technologie Verunreinigungen unbedingt zu vermeiden sind – es in Perowskiten eben genau das natürliche Netzwerk struktureller Defekte ist, das den für eine effiziente photovoltaische Energiegewinnung notwendigen Langstreckentransport von Ladungen ermöglicht. „Unsere Arbeit liefert die erste physikalische Erklärung für diese Materialien und berücksichtigt dabei die meisten – wenn nicht sogar alle – ihrer dokumentierten Eigenschaften“, sagt Rak. Die Ergebnisse könnten Perowskit-basierten Solarzellen der nächsten Generation den Weg vom Labor hinaus zur praktischen Anwendung ebnen.
Anfang der 2010er Jahre stellten Forschende fest, dass die vierzig Jahre zuvor entdeckten Blei-Halogenid-Perowskite eine außergewöhnliche photovoltaische Leistung aufweisen. Sie erwiesen sich auch als hervorragende Materialien für LEDs sowie für die Röntgendetektion und -bildgebung. „Darüber hinaus weisen diese Materialien erstaunliche Quanteneigenschaften auf, wie beispielsweise Quantenkohärenz bei Raumtemperatur“, erklärt Alpichshev, dessen Gruppe am ISTA komplexe physikalische Phänomene der kondensierten Materie in komplexen Materialien untersucht.
In Solarzellen müssen Ladungen Hunderte von Mikrometern zurücklegen ohne unterwegs eingefangen zu werden. Bei der Silizium-basierten Technologie wird dieses Problem gelöst, indem das Medium zur Sonnenenergiegewinnung nahezu frei von Defekten ist, die Ladungen einfangen könnten, bevor sie die Sammel-Elektroden erreichen. Das Ungewöhnliche an Perowskit-Bauelementen ist, dass sie, da sie in Lösung hergestellt werden, voller Defekte sind. Wie können Ladungen in einer solchen Umgebung lange Strecken zurücklegen, um als nutzbarer Strom gewonnen zu werden? Und warum bleiben sie sogar lange genug bestehen, um dies zu tun?
Solarzellen im Kreislauf
Rätselhafte Perowskite
Perowskite in der Anwendung
Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass Elektronen und Löcher in Perowskiten, sobald sie ein Exziton bilden, sehr schnell verschmelzen. Angesichts dessen wird die Beobachtung, dass Elektronen und Löcher innerhalb der Materialien über längere Zeiträume getrennt bleiben, noch rätselhafter. Um dieses offensichtliche Paradoxon zu erklären, vermuteten die ISTA-Forscher, dass unbekannte innere Kräfte innerhalb der Perowskite die entstehenden Elektron-Loch-Paare auseinanderreißen und ihre Rekombination verhindern müssen.
Um diese Hypothese zu überprüfen, führte das Team mit Hilfe nichtlinearer optischer Methoden Elektronen und Löcher tief in das Innere einer Perowskitprobe ein. Auf diese Weise konnten sie jedes Mal, wenn ein neuer Teil der Elektronen und Löcher eingeführt wurde, einen endlichen Strom feststellen, der genau in die gleiche Richtung im Material floss – selbst ohne angelegte Spannung. „Diese Beobachtung zeigte eindeutig, dass selbst tief im Inneren von unmodifizierten, gewachsenen Perowskit-Einkristallen interne Kräfte wirken, die entgegengesetzte Ladungen voneinander trennen“, sagt Alpichshev.
Frühere Charakterisierungen von Perowskiten hatten jedoch ergeben, dass ein solches Verhalten mit ihrer intrinsischen Kristallstruktur unvereinbar sei. Um diesen Widerspruch aufzulösen, stellten die ISTA-Forscher die Hypothese auf, dass die Ladungstrennung nicht gleichmäßig über die Probe verteilt ist, sondern an Domänenwänden auftritt – Stellen mit veränderter Struktur, die mikroskopische Netzwerke bilden, die sich über die gesamte Probe erstrecken.
Rak erklärt: „Wenn ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe einer Domänenwand entsteht, zieht das lokale elektrische Feld das Elektron und das Loch auseinander und platziert sie auf gegenüberliegenden Seiten der Wand. Da sie sich nicht sofort wieder verbinden können, können sie entlang der Domänenwände driften, was auf der Zeitskala eines Ladungsträgers wie eine Ewigkeit erscheint, und lange Strecken zurücklegen.“ So demonstrierte das Team die Existenz von „Autobahnen für Ladungsträger“ innerhalb von Perowskiten. Dies erklärt die bemerkenswerten Ladungstransport-Eigenschaften, die Perowskite für die Energiegewinnung so effektiv machen.
Die Studienautoren betonen, dass die vorliegende Arbeit die erste umfassende und kohärente physikalische Erklärung für Perowskite liefert. „Mit diesem umfassenden Bild können wir endlich viele zuvor widersprüchliche Beobachtungen über Blei-Halogenid-Perowskite in Einklang bringen und eine langjährige Debatte über die Quelle ihrer überlegenen Energiegewinnungseffizienz beenden“, sagt Rak. [ISTA / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
D. Rak, D. Lorenc, D. M. Balazs, et al., Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites, Nat. Commun. 17, 946, 16. Februar 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-68660-5 - Kondensierte Materie und ultraschnelle Optik (Zhanybek Alpichshev), Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Klosterneuburg
Anbieter
Institute of Science and Technology Austria (ISTA)Am Campus 1
3400 Klosterneuburg
Österreich
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