Aktuelles: Kleine Schritte für Elektronen – gro?e Schritte für die Solarzellen der Zukunft?

Auf dem Weg zu effizienteren und nachhaltigeren Methoden der Energiegewinnung ist die Materialklasse der Metall-Halogenid-Perowskite ein vielversprechender Hoffnungstr?ger. Neuartige Solarzellen auf Basis dieses Materials erreichten innerhalb kürzester Zeit nach ihrer Entdeckung Effizienzen, die mit kommerziellen Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Darüber hinaus haben Perowskit-Solarzellen weitere entscheidende Vorteile: Die Herstellungs- und Energiekosten sind verglichen mit der etablierten Silizium-Technologie gering, da sie durch kostengünstige Beschichtungsverfahren produziert werden k?nnen. Au?erdem sind die Newcomer in der Photovoltaik flexibel und leicht, was ihren Einsatz auf verschiedensten Oberfl?chen erm?glicht – von tragbarer Elektronik bis hin zu innovativen Geb?udefassaden.

Doch wie funktioniert so eine Solarzelle eigentlich? Das Sonnenlicht, welches aus einzelnen Lichtquanten – sogenannten Photonen – besteht, wird in der Solarzelle absorbiert. Dabei geben die Photonen ihre Energie an Elektronen ab, welche dadurch auf h?herenergetische Bahnen gehoben werden, wo sie sich freier bewegen k?nnen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e werden an geeigneten elektrischen Kontakten extrahiert und so in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Die Effizienz einer Solarzelle h?ngt dabei entscheidend davon ab, wie leicht sich diese kurzlebigen Ladungstr?ger durch das Material bewegen k?nnen, um die Kontakte zu erreichen, ehe sie wieder zerfallen. Um Solarzellen weiter gezielt zu optimieren, ist es also wichtig, genau zu verstehen, wie dieser Transport abl?uft – welche Wege die Elektronen nehmen und wodurch die Bewegung eingeschr?nkt wird.

Genau dies ist Forscherinnen und Forschern an der Universit?t Regensburg um Prof. Dr. Rupert Huber nun mit einem neuartigen ultraschnellen Mikroskop an ma?geschneiderten Proben von Prof. Dr. Michael Johnston (Oxford University) gelungen. Das Team konnte gezielt freie Elektronen erzeugen und deren Diffusion auf ultrakurzen Zeitskalen verfolgen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 stellte bei Perowskit-Solarzellen bisher eine besondere Herausforderung dar, da diese nicht homogen sind, sondern aus vielen kleinen K?rnern bestehen, die nur Hunderte Nanometer – der milliardste Bruchteil eines Meters – gro? sind. Gleichzeitig sind diese Nanokristalle nicht alle identisch, sondern k?nnen bei Raumtemperatur in einer von zwei unterschiedlichen atomaren Strukturen vorkommen, von denen nur eine zur Nutzung in Solarzellen geeignet ist. Es ist also wichtig, genau zu wissen, wo man sich auf der Probe befindet und welcher kristalline Aufbau gerade untersucht wird. Daher verwendeten die Forschenden ein Mikroskop, mit dem sie die Position ihrer Messung auf Nanometer genau kontrollieren und gleichzeitig mithilfe optischer Methoden extrahieren k?nnen, ob sie gerade auf einem Kristallit mit dem richtigen atomaren Aufbau sitzen. ?Wir bringen die Atome in den Nanokristalliten zum Schwingen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 hinterl?sst, abh?ngig von der Anordnung der Atome, eindeutig zuordenbare Signaturen im gestreuten Licht – so etwas wie einen Fingerabdruck. Damit k?nnen wir genau rückschlie?en, wie die Atome in den jeweiligen Kristalliten angeordnet sind“, erkl?rt Martin Zizlsperger, Erstautor der Ver?ffentlichung.

Nachdem das Team so die genaue Form und Kristallstruktur der Nanofelsen kannte, beleuchtete es die Probe mit einem kurzen Lichtimpuls, der – wie die Sonne – Elektronen in bewegliche Zust?nde anregte. Die folgende Bewegung der Ladungen konnten die Forschenden daraufhin mit einem zweiten Laserimpuls ausmessen.  ?Sehr vereinfacht gesprochen, wirken die Ladungen wie ein Spiegel. Wenn sich diese Ladungen nun z.B. nach unten weg von unserem Messpunkt bewegen, dann wird der zweite Laserimpuls sp?ter reflektiert. Aus diesem winzigen Zeitversatz von nur wenigen Femtosekunden – wobei eine Femtosekunde dem millionsten Bruchteil einer milliardstel Sekunde entspricht – k?nnen wir die genaue Bewegung der Ladungen rekonstruieren“, erkl?rt Mitautorin Svenja Nerreter.

Dadurch gelang es, genau dabei zuzuschauen, wie sich die angeregten Elektronen durch das Labyrinth aus verschiedenen Kristalliten bewegen. Insbesondere konnten die Forschenden damit auch die technisch besonders relevante Bewegung in die Solarzelle hinein nach der Anregung untersuchen. Die Ergebnisse waren überraschend: Obwohl das Material aus vielen unterschiedlichen Nanokristallen besteht, ist der vertikale Ladungstransport auf der Nanometer-L?ngenskala unbeeinflusst von Unregelm??igkeiten in der genauen Form der Nanokristallite – ein m?glicher Grund für den Erfolg von Perowskit-Solarzellen. Als die Forschenden auch gro?fl?chigere Regionen auf der Skala mehrerer hundert Mikrometer untersuchten, zeigte sich allerdings auch, dass es Unterschiede zwischen Mikrometer-gro?en Regionen aus hunderten kleinen Nanokristalliten gibt, wobei einige Regionen effizienter im Ladungstransport sind als andere. 

百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e lokalen Hotspots k?nnten für die Entwicklung neuer Solarzellen von gro?er Bedeutung sein. Die neuartige Messmethode der Forscherinnen und Forscher kann direkt Einblick in die Verteilung und Effizienz der einzelnen Regionen geben und ist ein wichtiger Schritt zur weiteren Verbesserung von Perowskit-Solarzellen. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics ver?ffentlicht. ?Unsere neu entwickelte Methode erlaubt uns erstmals, das komplexe Zusammenspiel zwischen Ladungstransport, Kristallkonfiguration und der Form der Kristallite direkt auf der Nanoskala zu beobachten. Damit kann sie genutzt werden, um Perowskit-Solarzellen gezielt weiter zu verbessern“, erkl?rt Prof. Huber. Die neuartige Messmethode ist aber nicht nur auf moderne Solarzellen beschr?nkt, denn das Wechselspiel zwischen Struktur und Ladungstransport ist für eine Vielzahl moderner Anwendungen von zentraler Bedeutung. So k?nnte der Durchbruch auch für die Entwicklung von ultimativ kleinen und schnellen Transistoren sowie für die Erkl?rung eines der gr??ten R?tsel der Festk?rperphysik – Hochtemperatur-Supraleitung – eine wertvolle Hilfe sein.

Publikation
Martin Zizlsperger, Svenja Nerreter, Qimu Yuan, Kilian B. Lohmann, Fabian Sandner, Felix Schiegl, Christian Meineke, Yaroslav A. Gerasimenko, Laura M. Herz, Thomas Siday, Markus A. Huber, Michael B. Johnston & Rupert Huber, In situ nanoscopy of single-grain nanomorphology and ultrafast carrier dynamics in metal halide perovskites. Nature Photonics (2024).

DOI: 10.1038/s41566-024-01476-1 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)