Höhere Stabiltät möglich: Defekte in Perowskite-Halbleitern erforscht

Man muss die Probleme erst einmal verstehen, um sie auch wirklich zu lösen. Das Problem der instabilen Perowskite-Halbleiter dürfte seiner Lösung dank der Arbeit der Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ein ganzes Stück nähergekommen sein. Bisher waren die exakten Eigenschaften der Defekte, die durch Rekombination beschleunigte Degradation verursachten, unbekannt. Doch ein Team um Artem Musiienko herum hat durch ein Forschungsprojekt mit MAPI-Perowskite-Halbleitern genau das ermitteln können. MAPI steht für Methylammonium-Kation Bleijodid-Oktaeder, einer weitverbreiteten organischen Verbindung, aus der sich hocheffiziente Perowskite-Strukturen mit Wirkungsgraden jenseits der 25 Prozent herstellen lassen. Obgleich der Wirkungsgrad unangefochten hoch ist, besteht das Problem der materiellen Instabilität bei dieser Art von Zellen. Für einen kommerziellen Gebrauch degradieren die Strukkturen immer noch viel zu schnell.

Die Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin sind jedoch zuversichtlich, dass ihre neuen Erkenntnisse dabei helfen können, dass Degradationsverhalten von Perowskite besser zu verstehen, um so entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. In der Vergangenheit war es ihnen nicht gelungen, die Eigenschaften von Materialdefekten und Ladungsträgern sauber zu kategorisieren, da es mittels Spektroskopie oder der Photolumineszenz oder anderen gängigen Tests nicht möglich ist, Defekte von Ladungsträgern zu unterscheiden. Entscheidend für den Durchbruch in dieser Veröffentlichung war die Verbindung mehrerer Messmethoden. So war es möglich, durch eine zeitlich aufgelöste Photolumineszenz-Messung zu erkennen, dass Ladungsträger sich in den Materialdefekten rekombinieren, aber auch wieder freigegeben werden.

Durch Foto-Hall-Effekt-Spektroskopie, Thermoelektrischer-Effekt-Spektroskopie und Laufzeit-Strom-Kurven-Spektroskopie konnte das Team erstmalig die exakte Position der Defekte ermitteln. Außerdem konnte auch die Wechselwirkung freier Ladungsträger mit dem Halbleitermaterial ermittelt werden. In der HZB-Studie heißt es, dass nur durch das exakte Wissen um die Parameter der Defekte effektive Vermeidungsstrategien entwickelt werden können.

So konnte das Team feststellen, dass ein großer Teil der Defekte Ladungsträger zwar einfängt und rekombiniert, diese aber auch nach kurzer Zeit wieder freigibt. „Das könnte eine Erklärung für die besonders hohen Wirkungsgrade der MAPI-Perowskite sein“, sagt Musiienko. Diese Ergebnisse ebnen den Weg, MAPI-Perowskite hinsichtlich der Defektkonzentration zu optimieren, um hohe Wirkungsgrade mit guter Stabilität zu kombinieren.

Die Forscher können jetzt nicht nur Löchertransporte von Elektronentransporte unterscheiden, sondern auch ihre Mobilität, Lebensdauern und Diffusionslängen. „Damit gibt diese Arbeit Antworten auf Fragen, die schon lange Zeit im Bereich der Perowskit-Solarzellen diskutiert wurden“, sagt Musiienko.

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sind frei zugänglich im wissenschaftlichen Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht.