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Neue Hochleistungshalbleiter für die nächste Generation von günstigen Solarzellen: Ausgabe 15/2019, 25.09.2019

Der Wettkampf ist vorbei und eine riesige Anspannung fällt ab

Um effizientere Solarzellen und LEDs zu entwickeln, haben Forscher verschiedene Defektarten in Halbleitermaterialien analysiert. Sie wollten sehen, ob und wie diese Defekte die Leistungsfähigkeit beeinflussen. Untersucht wurden die Struktur und die Eigenschaften der häufig auftretenden planaren Defekte auf atomarer Ebene, die nur wenige zehntel Nanometer umfassen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent, Text und Bild

Ein Forscherteam um Assistenzprofessor Rohan Mishra von der Washington University in St. Louis untersuchte auch BleiHalogenid-Perowskite, eine neue Klasse von Hochleistungshalbleitern, die für die nächste Generation von kostengünstigen Solarzellen erforscht werden, um die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Bericht gibt Antworten auf das Warum
Bei der Herstellung dieser Materialien können Defekte dort auftreten, wo sich verschiedene Kristalle treffen, an den Korngrenzen. In konventionellen Halbleitern können diese Defekte ihre elektrische Leitfähigkeit und den Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität verringern; bei Blei-HalogenidPerowskiten gibt es jedoch unterschiedliche Fachberichte über die Aktivitäten von Korngrenzen. In einigen Fällen werden sie als schädlich eingestuft, in anderen Fällen haben sie entweder keinen Einfluss auf die Leistung oder sollen sogar von Vorteil sein. Aber bis heute hat niemand verstanden, warum das so ist. Das Expertenteam erklärte mit ihrem Bericht in «Advanced Materials» das Warum.

Verschiedene Untersuchungen führten auf die richtige Spur
Am Oak Ridge National Lab führte der Doktorand Arashdeep Singh Thind die Bildgebung mit einem der leistungsfähigsten Elektronenmikroskope durch, um die Atomstruktur der Korngrenzen zu untersuchen.
Guangfu Luo, ein ehemaliger Forschungswissenschaftler im Labor von Mishra und jetzt Assistenzprofessor an der Southern University of Science and Technology in Shenzen, China, nutzte dann quantenmechanische Berechnungen, die mit einigen der schnellsten Supercomputer durchgeführt wurden, um die elektronischen Eigenschaften dieser Korngrenzen zu verstehen. In Siliziumhalbleitern richten Korngrenzen verheerende Schäden an, aber in Blei-Halogenid-Perowskiten möglicherweise nicht. Und das hängt von der Konzentration der Halogenidionen ab, einem kritischen Faktor hinsichtlich der Materialeigenschaften.
Luo und Mishra fanden mit quantenmechanischen Berechnungen heraus, dass es durch die grosse Dichte solcher Stapelfehler möglich sein könnte, eine helle optische Emission von grossen und stabileren Nanopartikeln bestimmter Blei-Halogenid-Perowskite zu erhalten, die eventuell den Weg zu LEDs mit längerer Lebensdauer ebnen könnten.

Neue Nanokristalle bieten bessere optische Eigenschaften
Neuentwickelte, kleinere Blei-Halogenid-Perowskit-Nanokristalle wuchsen in 48 Std. von etwa acht auf 60 nm. Diese Nanokristalle hatten aufgrund der während des Fusionsprozesses entstandenen Stapelfehler, die Thind mit der Rastertransmissions-Elektronenmikroskopie und deren atomare Auflösung entdeckte, deutlich verbesserte optische Eigenschaften. Darüber hinaus waren die Nanokristalle unter Lichteinwirkung stabiler, hatten schärfere Emissionslinien und höhere Quantenausbeute.
Mit diesen Defekten sollen die neuen Nanokristalle die Lichtemissionseigenschaften der Blei-Halogenid-Perowskit-Nanokristalle verbessern, was zu besseren LEDs und anderen optoelektronischen Komponenten führt. Mit weiteren Untersuchungen wollen die Forscher das giftige Blei in Perowskiten ersetzen. Im Gespräch ist das ungiftige Wismut.

Infoservice
Washington University in St. Louis
One Brookings Drive, St. Louis, MO 63130
www.wustl.edu

 



Mit einem atomar auflösenden Elektronenmikroskop wurden die Korngrenzen in den Kristallen untersucht (siehe Pfeile)