Perowskit-Solarzellen: Defekte fangen Ladungsträger ein - und geben sie wieder frei
Fünf verschiedene Arten von Defekten in MAPI-Perowskiten wurden untersucht und charakterisiert. Das Ergebnis: ein großer Teil der Defekte hält die Ladungsträger nicht lange fest.
© HZB
Ein Team am HZB und der Charles Universität in Prag hat untersucht, wie in den so genannten MAPI-Perowskit-Halbleitern Ladungsträger mit unterschiedlichen Defekten wechselwirken. Die Studie zeigt, dass ein großer Teil der Defekte eingefangene Ladungsträger schnell wieder freigibt. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern.
Zu den spannendsten Materialien für Solarzellen gehören die sogenannten MAPI-Halbleiter. Sie bestehen aus organischen Methylammonium-Kationen und Bleijodid-Oktaedern, die eine Perowskitstruktur bilden. MAPI-basierte Solarzellen haben innerhalb weniger Jahre Wirkungsgrade von 25 Prozent erreicht. Bislang altern die halborganischen Halbleiter jedoch noch schnell.
Nun hat ein internationales Team am HZB, CNRS, Frankreich und der Charles Universität Prag, Tschechien, erstmals fünf verschiedene Defekttypen in MAPI-Perowskiten genau charakterisiert und die Wechselwirkung zwischen diesen Defekten und den Ladungsträgern gemessen. Mit einer Kombination aus hochempfindlichen Spektroskopiemethoden gelang es ihnen, Konzentration, Energie, Einfangquerschnitt und Ladungseinfangzeit der verschiedenen Defekte experimentell zu bestimmen und eine Karte der Defekte zu erstellen. Durch die Verwendung von elektrischen Pulsen stellten sie sicher, dass die Messungen die Qualität des Materials nicht beeinträchtigten.
Die Messergebnisse ermöglichen die zuverlässige Unterscheidung zwischen Elektronen- und Löchertransport und die Bestimmung ihrer wichtigsten Parameter: Mobilitäten, Lebensdauern und Diffusionslängen. „Damit gibt diese Arbeit Antworten auf Fragen, die schon lange Zeit im Bereich der Perowskit-Solarzellen diskutiert wurden“, sagt Dr. Artem Musiienko, Erstautor der Publikation und Postdoc am HZB.
Eine wichtige Erkenntnis: Ein großer Teil der Defekte gibt die eingefangenen Ladungsträger nach kurzer Zeit wieder frei. „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.
- Marcel Risch wird Professor an der Freien Universität BerlinSeit August 2026 ist Marcel Risch Professor (W2-S) im Fachbereich Physik an der Freien Universität Berlin. Seine Nachwuchsgruppe wird zur Abteilung Mechanismen nachhaltiger Elektrokatalyse. Risch erforscht die fundamentalen Mechanismen elektrokatalytischer Reaktionen und entwickelt auf dieser Grundlage wissens- und datengetriebene Strategien zur Verbesserung von Elektrokatalysatoren für die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff, Kraftstoffen und Chemikalien.
- BESSY II: Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und KatalysatorenWinzige biologische Proben und sogar einzelne Biomoleküle können nun an der BESSY-II-Infrarot-Beamline unter lebensnahen Bedingungen in höchster Auflösung untersucht werden. Die nanoskalige Infrarotspektroskopie (s-SNOM) wurde dafür verbessert und gründlich validiert. Ultradünne Membrane auf Siliziumbasis ermöglichen dabei die Untersuchung im wässrigen Medium. Ein internationales Team um den HZB-Experten Dr. Alexander Veber konnte nach einem ersten Proof-of-Concept nachweisen, dass Nano-IR-Messungen in wässriger Umgebung mit den erwarteten Fernfeld-IR-Spektren übereinstimmen. Dieser methodische Fortschritt ermöglicht nun tiefere Einblicke in Biomaterialien, aber auch die Beobachtung katalytischer Prozesse in flüssigen Umgebungen.
- BESSY II nimmt Betrieb nach Wartungspause wieder aufNach einer vierwöchigen Wartungspause ist der BESSY II-Beschleunigerkomplex seit Montag, 7. September 2026 wieder in Betrieb. BESSY II wird am 22. September den vollen Nutzerbetrieb wieder aufnehmen.