Physiker*innen steuern ultraschnelle Elektronendynamik in Perowskit-Materialien
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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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