Wie schaffen es Halidperowskite, so gut zu funktionieren, obwohl ihre Oberflächen voller gebrochener Bindungen sind? Um zu verstehen, warum Perowskite für die Energieforschung so wichtig sind, erklärt Prof. David Egger von der Technischen Universität München (TUM): „Perowskite bieten eine einzigartige Kombination aus Effizienz, Flexibilität, einfacher Herstellung und vielseitiger chemischer Anpassbarkeit. Sie gelten als eine der vielversprechendsten Zukunftstechnologien in der Photovoltaik.“
Bei den meisten Halbleitern führen gebrochene Bindungen an der Oberfläche zu sogenannten „Fallen“ – elektronischen Defekten, die Ladungsträger wie Elektronen und Löcher einfangen und unbeweglich machen. Dies kann die Effizienz von Bauteilen drastisch verringern. Deshalb benötigen herkömmliche Materialien wie Silizium spezielle chemische Behandlungen, sogenannte Passivierungen, um diese Defekte zu neutralisieren.
Halidperowskite jedoch verhalten sich anders. Forschende der TUM School of Natural Sciences und des Weizmann Institute of Science (Israel) untersuchten die Oberflächen eines Modell-Halogen-Perowskits und stellten fest, dass diese selbst mit gebrochenen Bindungen und ohne Passivierung wie hochwertige, gut behandelte Halbleiteroberflächen funktionieren.
„Das war ein überraschendes Ergebnis“, sagt Frederico Delgado, Erstautor der Studie und Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Egger. Er ergänzt: „Die Atome an der Oberfläche bewegen sich ständig und sollten eigentlich Defekte bilden, aber das Material vermeidet diese Bildung.“
Mithilfe moderner quantenmechanischer Simulationen, unterstützt durch Machine Learning, zeigte das Team, dass die natürliche atomare Bewegung des Perowskits tatsächlich die Bildung nachteiliger elektronischer Zustände verhindert. Etwa 70 % der elektronischen Zustände an der Oberfläche liegen sehr nahe an der Valenzbandkante, was sie deutlich weniger wahrscheinlich zu den oben genannten Fallen macht. Gelegentlich entstehen auch beeinträchtigende Zustände – diese sind jedoch selten, energetisch nicht isoliert und verursachen kaum Probleme.
Diese Forschung liefert eine mikroskopische Erklärung für eine der faszinierendsten Stärken von Perowskiten: ihre Fähigkeit, eine hervorragende elektronische Qualität ohne chemische Oberflächenbehandlung aufrechtzuerhalten.
Die Erkenntnisse könnten die Entwicklung stabiler, hocheffizienter Perowskit-Bauteile für saubere Energie und Elektronik der nächsten Generation beschleunigen.
Publikation
FP Delgado, F Simões, L Kronik, W Kaiser, DA Egger. Machine-Learning Force Fields Reveal Shallow Electronic States on Dynamic Halide Perovskite Surfaces. ACS Energy Letters. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c01519
Weitere Informationen und Links
Die Studie erschien in ACS Energy Letters. Gefördert wurde sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters e-conversion sowie von TUM.solar im Rahmen des bayerischen Verbundforschungsprojekts Solar Technologies Go Hybrid (SolTech).
- Prof. David Egger, Theorie funktionaler Energiematerialien (TheoFEM)
- Atomistic Modeling Center (AMC) des Munich Data Science Institute (MDSI)
Kontakt für diesen Artikel
Prof. David Egger
Technische Universität München
Physik-Department
Lehrstuhl für Theorie funktionaler Energiematerialien (TheoFEM)
david.egger(at)tum.de
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