Eine seit langem bestehende Erklärung dafür, warum Perowskit-Materialien so gute Solarzellen sind, wurde dank neuer Messungen in Zweifel gezogen. Zuvor führten Physiker die günstigen optoelektronischen Eigenschaften von Bleihalogenid-Perowskiten auf das Verhalten von Quasiteilchen, sogenannten Polaronen, im Kristallgitter des Materials zurück. Jetzt jedoch detaillierte Experimente bei Deutschland BESSY II-Synchrotron ergab, dass keine großen Polaronen vorhanden sind. Die Arbeit wirft neues Licht darauf, wie Perowskite für reale Anwendungen optimiert werden können, darunter Leuchtdioden, Halbleiterlaser und Strahlungsdetektoren sowie Solarzellen.
Bleihalogenid-Perowskite gehören zu einer Familie kristalliner Materialien mit einem ABX3 Struktur, wobei A für Cäsium, Methylammonium (MA) oder Formamidinium (FA) steht; B ist Blei oder Zinn; und X ist Chlor, Brom oder Jod. Sie sind vielversprechende Kandidaten für Dünnschichtsolarzellen und andere optoelektronische Geräte, da sie aufgrund ihrer einstellbaren Bandlücken Licht über einen breiten Wellenlängenbereich im Sonnenspektrum absorbieren können. Durch sie diffundieren auch Ladungsträger (Elektronen und Löcher) über weite Strecken. Diese hervorragenden Eigenschaften verleihen Perowskit-Solarzellen einen Energieumwandlungswirkungsgrad von mehr als 18 % und liegen damit auf Augenhöhe mit etablierten Solarzellenmaterialien wie Silizium, Galliumarsenid und Cadmiumtellurid.
Forscher sind sich jedoch immer noch nicht sicher, warum sich Ladungsträger in Perowskiten so gut bewegen, zumal Perowskite weitaus mehr Defekte enthalten als etablierte Solarzellenmaterialien. Eine Hypothese besagt, dass Polaronen – zusammengesetzte Teilchen, die aus einem Elektron bestehen, das von einer Wolke ionischer Phononen oder Gitterschwingungen umgeben ist – als Abschirmungen fungieren und verhindern, dass Ladungsträger mit den Defekten interagieren.
Messung der kinetischen Energie von Elektronen
In der neuesten Arbeit hat ein Team unter der Leitung von Festkörperphysikern gearbeitet Oliver Rader dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Helmholtz-Zentrum Berlin testeten diese Hypothese mit einer Technik, die als winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) bekannt ist. Diese Technik liefert über die kinetische Energie Informationen über die elektronische Bandstruktur eines Materials E= 1 / 2 mv2 seiner Elektronen, wo m ist die Masse des Elektrons und v ist seine Geschwindigkeit. Geschrieben in Bezug auf den Elektronenimpuls p=mv, diese Beziehung entspricht einer Parabel E=(p2)/(2m), die direkt im Experiment gemessen werden kann.
Wenn beim Ladungstransport tatsächlich Polaronen vorhanden sind, sollten sich die Elektronen aufgrund der Wechselwirkungen mit den Polaronen langsamer bewegen und damit ihre effektive Masse höher sein. Je größer die effektive Masse des Elektrons ist, desto kleiner ist die Krümmung der Parabel. Messungen werden jedoch von einem Teammitglied durchgeführt Maryam Sajedi an Proben von kristallinem CsPbBr3 konnte die erwartete Verringerung der Krümmung der Parabel nicht erkennen. Dies sei eine Überraschung gewesen, sagt Rader, da die Theorie eine Steigerung der effektiven Masse um 28 % in einem verwandten Bleihalogenid-Perowskit vorhersagte, während ein konkurrierendes Experiment aus ARPES-Daten eine Steigerung von 50 % ableitete.
Rader führt die Diskrepanz auf eine Kombination von Faktoren zurück. Im Prinzip, sagt er, sei die effektive Masse einfach zu messen, es gebe jedoch einen wichtigen Vorbehalt. „Wir messen eine Parabel in der Bindungsenergie versus Impuls (wobei der Impuls direkt vom ‚Winkel‘ bei ‚winkelaufgelöster Photoemission‘ kommt)“, erklärt er. „In einem dreidimensionalen Festkörper ist diese Parabel jedoch ein Schnitt eines dreidimensionalen Paraboloids, und wenn wir sie nicht an ihrer Spitze schneiden, erhalten wir möglicherweise die falsche – normalerweise höhere – effektive Masse.“
Rader erklärt weiter, dass bei ARPES der Impuls in x- und y-Richtung mit dem Elektronenemissionswinkel zusammenhängt, der Impuls in z-Richtung jedoch durch die Energie der Photonen bestimmt wird, die zur Anregung der Elektronen verwendet werden. Im Fall von BESSY II stammt diese Photonenenergie aus Synchrotronstrahlung mit Wellenlängen im Vakuum-Ultraviolettbereich des Spektrums. Der Hauptteil der experimentellen Arbeit bestand daher darin, die richtige Photonenenergie zu finden, um die effektive Masse zu bestimmen, sagt er.
Auf der Suche nach neuen Lösungen für günstige und stabile Solarzellen
Eine weitere Aufgabe bestand darin, die zu erwartende effektive Masse ohne Polaronen zu berechnen. „Wir verwendeten eine fortschrittliche Methode und stellten fest, dass frühere Berechnungen eine zu kleine effektive Masse vorhersagten“, sagt Rader. „Das Problem dieser früheren Arbeit lag also zur Hälfte auf der experimentellen und zur Hälfte auf der theoretischen Seite.“
Eine zuverlässige Technik
Rader weist darauf hin, dass ARPES zuvor eine Erhöhung der effektiven Elektronenmasse aufgrund des Vorhandenseins von Polaronen in zwei Nicht-Perowskit-Verbindungen, TiO, festgestellt hat2 und SrTiO3. Es handele sich daher um eine zuverlässige Technik für diese Art von Messung, sagt er. „Unsere Schlussfolgerung ist, dass unsere experimentelle Methode zeigt, dass es keinen Hinweis auf die Bildung großer Polaronen gibt“, sagt er. „Dieses Ergebnis sollte zu einer Neubewertung der Theorien führen, die das Vorhandensein und eine wichtige Rolle von Polaronen für die Eigenschaften von Bleihalogenid-Perowskiten vorhersagen, vor allem ihre hohe Effizienz als Solarzellenmaterial.“
Als Folgemaßnahme möchten die Forscher ähnliche Messungen an einer Probe von kristallinem CsPbBr durchführen3 Während sie es beleuchten, gehen sie davon aus, dass dies experimentell eine „Herausforderung“ sein wird. Sie berichten über ihre aktuelle Forschung in Physical Review Letters.
