Auf der Suche nach leichter produzierbaren Solarpaneelen sind Forschende beim Mineral Perowskit fündig geworden. Warum das Material trotz geringeren Reinheitsgehalts mit Siliziumzellen mithalten kann, wurde nun erstmals entschlüsselt.

Solarpaneele zur Produktion von elektrischer Energie aus Sonnenlicht gibt es seit vielen Jahrzehnten. Erste Versuche gehen auf das 19. Jahrhundert zurück, die US-Weltraumagentur Nasa verwendete sie ab den 1950er-Jahren, um Satelliten mit Strom zu versorgen. Inzwischen ist Photovoltaik für einen großen Teil der globalen Stromproduktion verantwortlich, und trotz intensiver Forschung bestehen die heute bevorzugt verbauten Solarzellen immer noch aus demselben Material wie im vergangenen Jahrhundert: Silizium. Technologien auf Basis anderer Materialien gibt es und sie werden zum Teil auch eingesetzt, doch ablösen konnten sie das haltbare Silizium bislang nicht.

Ein Material, dem das in der Zukunft aber zuzutrauen ist, ist das Mineral Perowskit, eine Verbindung aus Kalzium, Titan und Sauerstoff. Sogenannte Blei-Haldid-Perowskite, die zusätzlich noch Blei enthalten, eignen sich zur Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten wie LEDs, aber auch von Solarzellen, die grundsätzlich einfacher zu produzieren sind als Zellen aus Silizium. Das Prinzip ist lange bekannt, doch wie bei vielen anderen Materialien, die grundsätzlich für Solarzellen geeignet sind, scheiterte ein breiter Praxiseinsatz an Effizienz und Haltbarkeit.

In Bezug auf die Leistung gab es aber in den vergangenen 15 Jahren große Fortschritte. Die Effizienz von Perowskitsolarzellen übertrifft inzwischen jene von Siliziumzellen. Wie das möglich ist, ließ sich bisher nicht befriedigend erklären. Doch nun gelang es einem Team vom Institute of Science and Technology Austria (Ista) in Klosterneuburg, das Rätsel zu lösen. Davon berichtet eine neue Studie im Fachjournal Nature Communications. „Unsere Arbeit liefert die erste physikalische Erklärung für diese Materialien, welche dabei die meisten – wenn nicht sogar alle – ihrer dokumentierten Eigenschaften berücksichtigt“, freut sich Studienautor Dmytro Rak.

Die Physik dahinter

Wie bei anderen Solarzellen stoßen Lichtteilchen Elektronen im Material an und lösen sie aus der Menge der anderen, wo ein Loch zurückbleibt. Das Elektron und das Loch sind dadurch beweglich und müssen, um die vom Licht eingebrachte Energie zu gewinnen, getrennt und zu den Elektroden geführt werden, bevor sie sich gegenseitig neutralisieren.

Die Distanzen zu den Elektroden betragen zwar meist weniger als einen Millimeter, doch im Vergleich sind das große Distanzen. Für die Effizienz von Solarzellen ist es entscheidend, möglichst ungehindertes Fließen zu ermöglichen. In Silizium-Solarzellen löst man das Problem durch möglichst große Reinheit, damit die Elektronen auf ihrem Weg auf möglichst wenig Widerstand stoßen.

Perowskite sind alles andere als rein, sondern voller Defekte. Bekannt ist außerdem, dass das Elektron und das Loch, das es hinterlassen hat, eine Verbindung in Form eines sogenannten Exzitons eingehen können. Sobald das passiert, rekombinieren sie schnell wieder und die aus dem eingestrahlten Licht gewonnene Energie verpufft. Warum sie trotzdem so gut funktionieren, war bisher völlig unklar. Nun zeigten Dmytro Rak und sein Kollege und Co-Autor Zhanybek Alpichshev, dass es gerade die Fehlstellen von Perowskit sind, die für die gute Leitfähigkeit sorgen.

Die beiden Forscher folgten der Hypothese, dass es Mechanismen geben müsse, die Elektron und Loch im Material selbstständig trennen. Und tatsächlich ließ sich der Effekt nachweisen: Elektronen und Löcher flossen ohne äußeres Zutun in entgegengesetzte Richtungen. „Diese Beobachtung zeigte, dass selbst tief im Inneren von unveränderten, unverarbeiteten Perowskit-Einkristallen interne Kräfte wirken, die entgegengesetzte Ladungen voneinander trennen“, sagt Alpichshev.

Wie das sein konnte, war aber unklar, denn eigentlich weiß man aus den Kristalleigenschaften von Perowskiten, dass dieses Verhalten nicht möglich sein sollte. Rak und Alpichshev erkannten, dass der Effekt tatsächlich nicht im gesamten Material auftrat, sondern nur in einem mikroskopisch kleinen Netzwerk von Veränderungen in der Kristallstruktur – die Forschenden sprechen von Domänenwänden –, das sich durch das ganze Material ziehen kann. Rak gelang es, durch das Einbringen von Eisenionen in das Material, dieses Netzwerk sichtbar zu machen. „Diese qualitative Technik, die am Ista entwickelt und implementiert wurde, ähnelt der Angiografie in lebendem Gewebe – mit dem Unterschied, dass wir die Mikrostruktur eines Kristalls untersuchen“, sagt Alpichshev.

Neue Generation an Solarzellen

„Wenn ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe einer Domänenwand entsteht, zieht das lokale elektrische Feld das Elektron und das Loch auseinander und platziert sie auf gegenüberliegenden Seiten der Wand. Da sie sich nicht sofort wieder verbinden können, können sie entlang der Wände wandern“, sagt Rak. Diese werden damit quasi zu Autobahnen für den Ladungstransport. Das Team hofft, dass sich nun die Leistungsfähigkeit von Perowskit-Zellen besser steuern lässt, ohne dabei den Vorteil der günstigen Produktion zu verlieren.

Der Standard