Perowskit-Solarzelle in Aktion gefilmt

Binnen weniger Jahre ließ sich der Wirkungsgrad von Solarzellen aus Perowskit von knapp vier Prozent auf mehr als zwanzig Prozent steigern. Einen Einblick in die für die Stromerzeugung wichtigen Prozesse liefert nun ein Film der atomaren Bewegungen in diesem Material. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten die beteiligten Wissenschaftler über ungewöhnlich langlebige Verformungen der Kristallstruktur. Diese Beobachtung könnte zu einem besseren Verständnis des Transports elektrischer Ladungen in Perowskit-Solarzellen führen.

Für die Aufnahmen der atomaren Struktur beleuchtete das Team um Xiaoxi Wu vom Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien nur 40 Nanometer dünne Perowskitschichten mit extrem kurzen Laserpulsen. Das intensive Licht regte die Kristallstruktur an – führte ihr also Energie zu. Anschließend lenkte das Team einen stark fokussierten Strahl aus Elektronen auf die Probe. Diese Elektronen wurden von der Kristallschicht gestreut und mit einem empfindlichen Detektor wieder aufgefangen. Daraus entstand ein Beugungsbild der Elektronen, das eine Rekonstruktion der atomaren Struktur der Kristalle erlaubte.

Perowskit-Kristall

Die Physiker wiederholten diese Messungen viele Male mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen Laser- und Elektronenpuls. Aus den einzelnen Beugungsbildern entstand ein Film, der bis auf den Bruchteil eines Nanometers genau sichtbar machte, wie sich das Kristallgitter verformte. Deutlich erkannten die Forscher, dass die Jodatome im Perowskit nach der Anregung mit Laserlicht um je ein Bleiatom kreisten. Zeitgleich gehen die zuvor geordneten Kristalle zu weniger geordneten Strukturen über. „Wir haben entdeckt, dass Licht große Verformungen in dem Netzwerk aus Jod- und Bleiatomen verursacht“, fasst Wu die Ergebnisse zusammen.

Dauer und Größe dieser Strukturänderungen überraschten die Forscher, denn sie waren mit denen in schmelzenden Kristallen vergleichbar. Sie vermuten, dass genau diese Verformungen es den elektrischen Ladungen leichter machen, sich durch die Kristallschichten zu bewegen – ohne eingefangen zu werden. Damit ließe sich vielleicht die hohe Stromausbeute von Perowskit-Solarzellen erklären. Wu und Kollegen hoffen nun, dass ihre Beobachtungen die Entwicklung noch effizienterer Solarzellen aus günstigem Perowskit vorantreibt. Anstelle von Silizium könnten diese Kristalle die Produktionskosten für Solarzellen drastisch sinken lassen.