Hybrid-Perowskite kristallisieren ohne Inversionszentren aus

Kristallographische Analysen an der Synchrotron­quelle Diamond Light Source in Groß­britannien durch ein deutsch-britisches Forscher­team zeigen erstmals, dass Hybrid-Perowskite ohne Inversions­zentren aus­kristal­lisieren. Durch Wechsel­wirkungen zwischen den organischen Molekülen und benach­barten Jod-Atomen können sich so ferro­elektrische Domänen bilden, die über weitere Effekte höhere Wirkungs­grade in Solar­zellen ermöglichen. In anorganischen Perowskiten kann diese ferro­elektrische Domänen­bildung nicht statt­finden.

Solarzellen auf Basis von Perowskiten haben in wenigen Jahren enorm hohe Wirkungs­grade erreicht. Dabei zeichnen sich Solar­zellen mit Hybrid-Perowskiten, die aus anorganischen wie organischen Komponenten bestehen, durch besonders hohe Wirkungs­grade aus, sind aller­dings bislang noch nicht langzeit­stabil. Anorganische Perowskit-Halbleiter wie CsPbI3 sind zwar weniger effizient, gelten jedoch aufgrund ihrer höheren Stabilität ebenfalls als interes­sante Materialien für die Photo­voltaik.

Bisher ging man davon aus, dass sich hybride und anorganische Perowskite im kristal­linen Aufbau nicht grundsätzlich unter­scheiden. Bei der Herstellung von Perowskit-Materialien bildet sich jedoch in der Regel nicht ein einziger großer Kristall, sondern unzählige winzige Zwillings­kristalle. Dies macht die Analyse der Kristall­struktur kompli­ziert und fehler­anfällig.

Einem Team um Susan Schorr und Joachim Breternitz vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie ist jetzt ein Durchbruch im Verständnis der kristal­linen Struktur von hybriden Perowskiten gelungen. Die Forscher unter­suchte kristalline Proben von MAPbI3, dem promi­nen­testen Vertreter dieser Materialien, an der Synchrotron­quelle Diamond Light Source. Dabei konnten sie auch klären, ob überhaupt ferro­elektrische Effekte in diesem hybriden Perowskit­material möglich sind. Ferro­elektrische Domänen können in Solar­zellen günstige Aus­wirkungen haben und den Wirkungs­grad steigern. Messungen dieses Effekts an Proben sind jedoch schwierig – ein Null­ergebnis kann entweder bedeuten, dass es keinen ferro­elektrischen Effekt gibt, oder dass sich die ferro­elektrischen Domänen gegen­seitig aufheben.

„Aus kristallo­graphischer Sicht gibt es einige notwendige Bedingungen für Ferro­elektrizität: Ein ferro­elektrischer Effekt kann nur dann auftreten, wenn die Kristall­struktur kein Inversions­zentrum enthält und zusätzlich ein permanentes polares Moment aufweist“, erklärt Breternitz. Bislang ging man davon aus, dass die Kristall­struktur von MAPbI3 ein Inversions­zentrum enthält. Dies ist jedoch nicht der Fall, wie die Ergebnisse der Kristall­struktur­analyse zeigen. „Dabei spielt das organische Kation MA+ eine tragende Rolle“, erklärt Breternitz.

Denn das MA-Molekül ist nicht kugel­symmetrisch und auch deutlich größer als ein einzelnes Atom, sodass es mit den benach­barten Jod-Atomen ein polares Moment erzeugt. Damit sind ferro­elektrische Domänen in MAPbI3 möglich. Bei anorganischen Perowskiten, in denen anstelle des MA-Moleküls ein Alkali-Atom eingebaut ist, greift dieser Mechanismus nicht. Damit sind möglicher­weise die stabileren anorganischen Perowskite grund­sätzlich etwas begrenzter in ihrem Wirkungs­grad als ihre hybriden Verwandten.

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  J. Breternitz et al.: Iodide-methylammonium interaction is responsible for ferroelectricity in CH3NH3PbI3, Ang. Ch., online 14. Oktober 2019; DOI: 10.1002/anie.201910599
• Bereich Energie Materialien (S. Schorr), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
• Diamond Light Source, Harwell Science and Innovation Campus, Oxfordshire, Großbritannien