Perowskit-Solarzellen: Defekte fangen Ladungsträger ein - und geben sie wieder frei

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.