Perowskit-Solarzelle in Aktion gefilmt

Menlo Park (USA) - Perowskit-Kristalle anstelle von Silizium könnten die Produktionskosten für Solarzellen drastisch sinken lassen. Binnen weniger Jahre ließ sich ihr Wirkungsgrad von knapp vier Prozent auf mehr als 20 Prozent steigern. Allein die exakten Gründe für dieses viel versprechende Verhalten konnten bisher nicht geklärt werden. Ein Film der atomaren Bewegungen in dünnen Perowskit-Kristallen lieferte nun einen verblüffenden Einblick in die für die Stromerzeugung wichtigen Prozesse. Kalifornische Wissenschaftler berichteten in der Fachzeitschrift „Science Advances“ über ungewöhnlich langlebige Verformungen der Kristallstruktur. Diese könnten zu einem besseren Verständnis des Transports elektrischer Ladungen in Perowskit-Solarzellen führen.

„Wir haben entdeckt, dass Licht große Verformungen in dem Netzwerk aus Iod- und Blei-Atomen verursachte“, sagt Xiaoxi Wu vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Und diese Verformungen könnten eine Ursache für die große Effizienz von Perowskit-Solarzellen bilden. Für diesen Einblick beleuchteten Wu und ihre Kollegen nur 40 Nanometer dünne Perowskit-Kristallschichten mit extrem kurzen Laserpulsen (40 Femtosekunden). Nach dieser Anregung der Kristallstruktur mit sichtbarem Licht lenkten sie einen stark fokussierten Strahl aus Elektronen auf ihre Probe. Diese Elektronen wurden von der Perowskit-Kristallschicht gestreut und mit einem empfindlichen Detektor wieder aufgefangen. Daraus entstand ein Beugungsbild der Elektronen, das eine Rekonstruktion der atomaren Struktur der Kristalle erlaubte.

Die Physiker wiederholten diese Messungen der Elektronenbeugung viele Male mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen Laser- und Elektronenpuls. Aus den einzelnen Beugungsbildern entstand ein Film, der die Verformungen im Perowskit-Kristallgitter bis auf den Bruchteil eines Nanometers genau sichtbar machte. Deutlich erkannten die Forscher, dass die Iod-Atome im Perowskit-Kristall nach der Anregung mit Laserlicht um je ein Blei-Atom kreisten. Zeitgleich verformten sich die zuvor geordneten Kristalle in der Form von doppelten Pyramide zu weniger geordneten Strukturen.

Dauer und Größe dieser Strukturänderungen überraschten die Forscher, denn sie waren eher mit denen in schmelzenden Kristallen vergleichbar. Sie vermuten, dass genau diese Verformungen es den elektrischen Ladungen leichter machten, sich durch die Kristallschichten zu bewegen ohne wieder eingefangen zu werden. Damit böten sie eine Erklärung für die hohe Stromausbeute von Perowskit-Solarzellen. Wu und Kollegen hoffen nun, dass ihre Beobachtungen die Entwicklung noch effizienterer Solarzellen aus günstigen Perowskit-Kristallen vorantreibt.