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MATERIALFORSCHUNG FÜR DIE ENERGIE­WENDE

Physiker*innen steuern ul­t­ra­schnelle Elek­tro­nen­dy­na­mik in Perowskit-Ma­te­ri­alien

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Physiker der TU Dortmund © Oliver Schaper​/​TU Dortmund
Die Physiker*innen der TU Dort­mund wol­len moderne Ma­te­ri­alien für die Pho­to­vol­taik ent­wi­ckeln: (v.l.) TU-Rektor Prof. Manfred Bayer, Erik Kirstein, Dr. Evgeniy Zhukov, Dr. Nataliia Kopteva, Eiko Evers, Prof. Dmitri Yakovlev und Dr. Dennis Kudlacik.

Auf der Suche nach neuen leis­tungs­star­ken Ma­te­ri­alien für So­lar­zel­len hat ein Team der TU Dort­mund zu­sam­men mit inter­natio­nalen Partnern eine wich­ti­ge Entdeckung ge­macht: Ul­tra­hoch­auf­ge­lös­te Un­ter­su­chun­gen auf einer Zeit­ska­la von Billionstel Se­kun­den zei­gen, dass die Elek­tro­nen­dy­na­mik in Perwoskit-Kristallen maß­geb­lich durch Blei bestimmt wird. Dieses Re­sul­tat ver­deut­licht, dass die Ma­te­ri­al­ei­gen­schaf­ten durch den Aus­tausch dieses Elements stark moduliert wer­den kön­nen. Die Er­geb­nisse wurden in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Advanced Materials frei zugänglich ver­öf­fent­licht.

Organische Blei-Halogene mit Perowskit-Kris­tall­struk­tur gelten als äußerst viel­ver­sprechende Ma­te­ri­alien für die Ent­wick­lung hochleistungsfähiger und zugleich preisgünstiger So­lar­zel­len. In den ver­gang­enen zehn Jah­ren konnte die Qua­li­tät solcher Perowskite enorm ver­bessert wer­den, sodass sie bereits eine ähnlich hohe Lichtausbeute wie herkömmliche Silizium-So­lar­zel­len erreichen. Sie kön­nen so maß­ge­schnei­dert wer­den, dass sie nicht nur das ge­sam­te sichtbare Sonnenlicht, sondern auch die nahe Infrarotstrahlung absorbieren und in Strom umwandeln. Ihre Herstellung erfordert hingegen wenig technologischen Auf­wand und verbraucht auch ver­gleichs­wei­se wenig Energie. Perowskite sind nicht nur für So­lar­zel­len in­te­res­sant, sondern könnten prinzipiell auch für LEDs oder Rönt­gen­de­tek­to­ren eingesetzt wer­den. Allein die Haltbarkeit der Bau­ele­men­te lässt bisher noch zu wünschen übrig.

Warum die Lebensdauer der Perowskit-Bau­ele­men­te begrenzt ist, ist noch nicht ver­stan­den. Eine Vielzahl an Forschungs­gruppen weltweit geht dieser Fra­ge mit Hochdruck nach, um neue Ma­te­ri­alien für die Energie­wende zu ent­wi­ckeln. Ein Schlüssel dazu ist das Ver­ständ­nis der elek­tro­nischen und mag­ne­tischen Ei­gen­schaf­ten der Ma­te­ri­alien auf atomarer Ebe­ne. Hier hat ein Team von der Fa­kul­tät Physik der TU Dort­mund nun zu­sam­men mit wei­te­ren Kolleg*innen aus Deutsch­land, Russland und der Schweiz bedeutende Fortschritte erzielen kön­nen.

Im Ex­peri­ment star­ke Wechselwirkung mit Blei beobachtet

Die Gruppe um TU-Professor Dmitri Yakovlev un­ter­such­te in Perowskit-Kristallen ul­t­ra­schnelle Wechselwirkungsprozesse zwischen optisch an­ge­reg­ten Ladungsträgern und deren Um­ge­bung. Dabei konnte sie zum einen zei­gen, dass die mag­ne­tischen Ei­gen­schaf­ten ultraschnell kontrolliert wer­den kön­nen, wenn optische Pulse mit einer Dauer von Billionstel Se­kun­den eingesetzt wer­den. Dieser Nachweis der Steu­er­bar­keit ist für mögliche neue An­wen­dungen von besonderem In­te­res­se­. Zum anderen zeigte sich, dass die Lebensdauer der Ma­gne­ti­sie­rung optisch erzeugter Ladungsträger beschränkt wird, wenn diese mit Kernspins wechselwirken. Dabei wurden die mit Abstand intensivsten Ver­lus­te bei der Wechselwirkung mit dem Kernspin von Blei beobachtet. Dank dieser Erkenntnis kann das Material nun gezielt weiterentwickelt wer­den, indem in Versuchsreihen Blei durch andere Ele­men­te ersetzt wird.

Die Forschungs­arbeit ist ein Bei­trag zum Research Center „Future Energy Materials and Systems“ der Uni­ver­si­täts­allianz Ruhr.
 

Zum Open Access-Artikel in der Fach­zeitschrift Advanced Materials
 

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