Stromfluss in Perowskiten

  • 12. September 2018

Kristalle für Solarzellen nutzen Elektronenspin für eine effiziente Stromerzeugung. 

Physiker der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg haben nachge­wiesen, dass einfallendes Licht die Elektronen in warmen Perowskiten in Drehung versetzt und damit die Richtung des Stromflusses bestimmt. Damit ent­schlüsseln sie eine wichtige Eigen­schaft dieser Kristalle, die bei der Entwicklung neuartiger Solar­zellen eine wichtige Rolle spielen könnten. Seit einigen Jahren gelten Perowskite als Hoffnungs­träger für eine kosten­günstige Nutzung des Sonnenlichts, da sie sich chemisch einfach herstellen lassen. Unter Labor­bedingungen liefern Prototypen erstaunliche Wirkungs­grade.

Abb.: Orthorhombische Kristallstruktur eines Perowskitminerals. (Bild: MIPT)

Abb.: Orthorhombische Kristallstruktur eines Perowskitminerals. (Bild: MIPT)

Was genau Perowskite so leistungs­fähig macht, darüber gibt es bislang wenig Erkenntnisse. „Entscheidend für die kosten­günstige Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenlicht sind zwei Faktoren“, sagt Daniel Niesner vom Lehrstuhl für Festkörper­physik. „Zum einen muss das Licht möglichst viele Elektronen in einer möglichst dünnen Schicht anregen. Zum anderen müssen diese Elektronen möglichst ungehindert zu den Elektroden fließen können, die den Strom abgreifen.“ Vermutet wird, dass Perowskite die Rotation der Elektronen für einen effizienten Stromfluss besonders gut ausnutzen: „Jedes Elektron hat einen Spin, ähnlich der Eigen­drehung einer Billard­kugel“, erklärt Niesner. „Wie bei Billardkugeln eine Links- oder Rechts­drehung beim Anstoßen zu einer gekrümmten Bahn auf dem Tisch führt, hat man auch für Elektronen in Perowskiten vermutet, dass Drehung und Vorwärts­bewegung aneinander gekoppelt sein könnten.“

Genau diese Vermutung haben die Erlanger Physiker nun erstmals bestätigt. Für ihr Experiment verwendeten sie einen Laser, dessen Licht selbst einen Spin besitzt. Das Ergebnis: Bestrahlt man den Kristall mit links­drehendem Licht, werden die Elektronen in eine Links­bewegung versetzt. Wird die Drehrichtung des Lichts umgekehrt, kehrt sich auch die Strom­richtung um. „Die Experimente zeigen eindeutig, dass die Dreh­richtung der Elektronen und die Fließrichtung des Stroms miteinander verknüpft sind", sagt Niesner.

Bisher gingen die Wissen­schaftler davon aus, dass die atomare Struktur von Perowskiten für ein solches Verhalten zu geordnet ist. In der Tat zeigen Versuche mit gekühlten Perowskit-Kristallen nur einen sehr schwachen Zusammen­hang zwischen der Drehrichtung der Elektronen und der Fließrichtung des Stroms. „Das ändert sich jedoch, wenn man den Kristall auf Raum­temperatur aufwärmt, weil die Bewegung der Atome zu fluk­tuierenden Abweichungen von der hochgradig geordneten Struktur führt“, sagt Niesner. „Die Wärme erlaubt dem Perowskit-Kristall, Dreh- und Fließ­richtung der Elektronen zu verknüpfen. Ein gewöhn­licher Kristall könnte das nicht.“

Mit der Entdeckung des Zusammen­hangs von Wärme und Elektronen-Spin sind die Forscher einem zentralen Aspekt des unge­wöhnlichen Strom­flusses in Perowskiten auf die Spur gekommen. Ihre Arbeit könnte dazu beitragen, die hohe Energie­effizienz dieser Kristalle besser zu verstehen und neue Materialien für die Photo­voltaik der Zukunft zu entwickeln.

FAU / JOL

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