Gemeinsame Forschungsarbeit der TU Chemnitz und TU Dresden unter Chemnitzer Federführung enthüllt die ionische Defektlandschaft in Metallhalogenid-Perowskiten – Veröffentlichung in renommierter Fachzeitschrift „Nature Communications“

Die Gruppe der sogenannten „Metallhalogenid-Perowskite“ hat als Werkstoffe in den letzten Jahren den Bereich der Photovoltaik revolutioniert. Metallhalogenid-Perowskite sind grob gesagt kristalline Strukturen, die zwar sehr variabel zusammengesetzt sind, aber trotzdem eine sehr ähnliche Kristallstruktur (nämlich ABX₃) aufweisen. Hierbei können A, B und X eine Kombination verschiedener organischer und anorganischer Ionen darstellen. Diese Materialien weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sich ideal für die Anwendung in Solarzellen eignen und dazu beitragen könnten, optische Bauteile wie Laser, Leuchtdioden (LEDs) oder Photodetektoren wesentlich effizienter zu machen. Mit Blick auf eine ressourcen- und energieeffiziente Technologie ist die Relevanz der Erforschung dieser Materialien sehr hoch.

Zu den besonderen Eigenschaften von Metallhalogenid-Perowskiten gehören ihr hohes Lichtsammelvermögen und die bemerkenswerte Fähigkeit, Sonnenenergie effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Eine weitere Besonderheit dieser Perowskite ist, dass sowohl Elektronen als auch Ionen in ihnen beweglich sind. Während der Elektronentransport ein grundlegender Prozess ist, der für den photovoltaischen Betrieb der Solarzelle erforderlich ist, haben ionische Defekte und Ionentransport oft unerwünschte Konsequenzen auf die Leistungsfähigkeit dieser Bauteile. Trotz bedeutender Fortschritte auf diesem Forschungsgebiet sind noch viele Fragen zur Physik der Ionen in Perowskitmaterialien offen.

Auf dem Weg zu einem besseren Verständnis dieser Strukturen sind die Technischen Universitäten in Chemnitz und Dresden nun einen großen Schritt weitergekommen. In einer gemeinsamen Untersuchung der Forschungsgruppen um Prof. Dr. Yana Vaynzof (Professur für Neuartige Elektronik-Technologien am Institut für Angewandte Physik und Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden) und Prof. Dr. Carsten Deibel (Optik und Photonik kondensierter Materie, TU Chemnitz) unter Federführung der TU Chemnitz deckten die beiden Teams die ionische Defektlandschaft in Metallhalogenid-Perowskiten auf. Dabei konnten wesentliche Eigenschaften der Ionen, aus denen diese Materialien bestehen, identifiziert werden. Die Migration der Ionen führt zum Vorhandensein von Defekten im Material, welche sich negativ auf die Effizienz und Stabilität von daraus gebauten Solarzellen auswirken. Die Arbeitsgruppen stellten fest, dass die Bewegung aller beobachteten Ionen trotz ihrer unterschiedlichen Eigenschaften (wie positive oder negative Ladung) einem gemeinsamen Transportmechanismus folgt und zudem eine Zuordnung von Defekten und Ionen ermöglicht. Dies ist als Meyer-Neldel-Regel bekannt.  Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (11, 6098 (2020)).

„Die Untersuchung der ionischen Defektlandschaft von Perowskiten ist keine einfache Aufgabe“, sagt Sebastian Reichert, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie der TU Chemnitz und Hauptautor der Publikation. „Wir mussten eine umfangreiche spektroskopische Charakterisierung an Perowskitproben durchführen, in welche die ionischen Defekte absichtlich eingebracht und deren Typ und Dichte schrittweise variiert wurden. Daher war das Fachwissen beider Teams von unschätzbarem Wert“, erklärt Reichert.

Grundlegende Transportmechanismen aufklären

„Eines der wichtigsten Ergebnisse unserer Studie ist das komplizierte Wechselspiel zwischen den ionischen und elektronischen Landschaften in Perowskit-Materialien aufzuklären“, ergänzt Prof. Vaynzof. „Durch die Veränderung der Dichte der verschiedenen ionischen Defekte in Perowskitmaterialien beobachten wir, dass die Diffusionsspannung und die Leerlaufspannung der Bauelemente beeinflusst werden. Dies unterstreicht, dass das Defekt-Engineering ein mächtiges Werkzeug ist, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen über den aktuellen Stand hinaus zu steigern.“

Die gemeinsame Untersuchung Studie ergab auch, dass alle ionischen Defekte die sogenannte „Meyer-Neldel-Regel“ erfüllen. „Dies ist sehr spannend, da es grundlegende Informationen über den Transportmechanismus von Ionen in Perowskiten offenbart“, sagt Prof. Deibel. „Wir haben derzeit zwei Hypothesen über den Ursprung dieser Beobachtung und planen, diese in unseren zukünftigen Studien zu untersuchen“.

Hintergrund: Kooperation von Chemnitz und Dresden im SPP 2196 der DFG

Die Forschungsgruppe von Carsten Deibel ist führend auf dem Gebiet der Impedanz- und transienten Störstellenspektroskopie, leistungsfähigen Methoden zur Untersuchung von Defekten in Halbleitermaterialien. Die Gruppe von Yana Vaynzof entwickelte eine Methode die Art und Dichte von Defekten in Perowskit-Materialien durch gezielte Modifikation der Stöchiometrie der Lösung, aus der sie abgeschieden werden, zu beeinflussen und zu kontrollieren. Aus diesen Materialien werden dann Solarzellen hergestellt, so dass deren spektroskopische Charakterisierung direkt mit der photovoltaischen Leistung korreliert werden kann.

Die beiden Teams arbeiten in ihrem gemeinsamen Projekt „Perowskit Defekte: Physik, Evolution und Stabilität (PERFECT PVs)“ im Rahmen des Schwerpunktprogramms (SPP) 2196 „Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eng zusammen.

Veröffentlichung:
Yana Vaynzof, Carsten Deibel, Sebastian Reichert et al.: Probing the ionic defect landscape in halide perovskite solar cells. Nature Communications volume 11, Article number: 6098 (2020).  DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19769-8

Informationen für Journalisten:
Prof. Carsten Deibel
TU Chemnitz
Professur Physik: Optik und Photonik kondensierter Materie
Tel.: +49 371 531-34878

Prof. Yana Vaynzof
TU Dresden
Professur für Neuartige Elektronik-Technologien
Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed)
Tel.: +49 351 463-42132