Weniger unschuldig als es aussieht
Wasserstoff in hybriden Perowskiten: Forscher identifizieren den Defekt, der die Leistung von Solarzellen begrenzt
Forscher in der Materialabteilung des College of Engineering der UC Santa Barbara haben eine wesentliche Ursache für Einschränkungen des Wirkungsgrads in einer neuen Generation von Solarzellen aufgedeckt.
Eine Wasserstofflücke (der schwarze Fleck links von der Mitte), die durch Entfernen von Wasserstoff aus einem Methylammoniummolekül entsteht, fängt Ladungsträger im prototypischen Hybrid-Perowskit, Mehtylammonium-Bleijodid CH3NH3Pbl3
Xie Zhang
Verschiedene mögliche Defekte im Gitter der sogenannten Hybrid-Perowskite wurden bisher als mögliche Ursache für solche Einschränkungen in Betracht gezogen, aber es wurde angenommen, dass die organischen Moleküle (die Komponenten, die für den "Hybrid"-Begriff verantwortlich sind) intakt bleiben. Modernste Berechnungen haben nun ergeben, dass fehlende Wasserstoffatome in diesen Molekülen zu massiven Effizienzverlusten führen können.
Die bemerkenswerte photovoltaische Leistung von hybriden Perowskiten hat angesichts ihres Potenzials, die Solarzellentechnologie voranzubringen, für große Aufregung gesorgt. "Hybrid" bezieht sich auf die Einbettung organischer Moleküle in ein anorganisches Perowskit-Gitter, das eine ähnliche Kristallstruktur wie das Perowskit-Mineral (Kalzium-Titanoxid) aufweist. Die Materialien haben einen ähnlich hohen Wirkungsgrad wie Silizium, sind aber viel billiger in der Herstellung. Es ist jedoch bekannt, dass Defekte im Perowskit-Kristallgitter zu unerwünschter Energieabgabe in Form von Wärme führen, was den Wirkungsgrad begrenzt.
Eine Reihe von Forschungsteams haben solche Defekte untersucht, darunter auch die Gruppe des UCSB-Materialien-Professors Chris Van de Walle, die kürzlich einen Durchbruch erzielte, indem sie einen schädlichen Defekt an einem Ort entdeckte, an dem niemand zuvor gesucht hatte: auf dem organischen Molekül.
"Methylammonium-Bleijodid ist der prototypische Hybrid-Perowskit", erklärt Xie Zhang, leitender Forscher des Projekts. "Wir fanden heraus, dass es überraschend einfach ist, eine der Bindungen zu brechen und ein Wasserstoffatom am Methylammonium-Molekül zu entfernen. Die dadurch entstehende 'Wasserstoff-Vakanz' fungiert dann als Senke für die elektrischen Ladungen, die sich durch den Kristall bewegen, nachdem sie durch das auf die Solarzelle fallende Licht erzeugt wurden. Wenn diese Ladungen an der Leerstelle hängen bleiben, können sie keine nützliche Arbeit mehr verrichten, wie z.B. eine Batterie aufladen oder einen Motor antreiben, daher der Effizienzverlust."
Die Forschung wurde durch fortschrittliche Berechnungsmethoden ermöglicht, die von der Van de Walle-Gruppe entwickelt wurden. Solche hochmodernen Berechnungen liefern detaillierte Informationen über das quantenmechanische Verhalten der Elektronen im Material. Mark Turiansky, ein Senior-Diplomstudent in Van de Walles Gruppe, der an der Forschung beteiligt war, half dabei, ausgefeilte Ansätze zu entwickeln, um diese Informationen in quantitative Werte für die Raten des Ladungsträgereinfangs umzuwandeln.
"Unsere Gruppe hat leistungsfähige Methoden entwickelt, um zu bestimmen, welche Prozesse Effizienzverluste verursachen", sagte Turiansky, und es ist erfreulich, dass der Ansatz so wertvolle Erkenntnisse für eine wichtige Materialklasse liefert."
"Die Berechnungen wirken wie ein theoretisches Mikroskop, das uns erlaubt, mit viel höherer Auflösung in das Material hineinzuschauen, als es experimentell möglich ist", erklärt Van de Walle. "Sie bilden auch eine Grundlage für ein rationales Materialdesign. Durch Ausprobieren hat man herausgefunden, dass Perowskite, bei denen das Methylammonium-Molekül durch Formamidinium ersetzt ist, eine bessere Leistung aufweisen. Wir können diese Verbesserung nun darauf zurückführen, dass sich in der Formamidinium-Verbindung weniger leicht Wasserstoffdefekte bilden.
"Diese Erkenntnis liefert eine klare Begründung für die empirisch etablierte Weisheit, dass Formamidinium essentiell für die Realisierung hocheffizienter Solarzellen ist", fügt er hinzu. "Basierend auf diesen grundlegenden Erkenntnissen können die Wissenschaftler, die die Materialien herstellen, Strategien entwickeln, um die schädlichen Defekte zu unterdrücken, was zu weiteren Effizienzsteigerungen in Solarzellen führt."
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