Perovskit Wenn aus Chalkogenid-Materialien leuchtende Kristalle entstehen

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Chalkogenide werden als Werkstoffe für Solarzellen, Fotodetektoren und weitere Anwendungen in den Bereichen Energieumwandlung und Licht rege erforscht. Empa-Forschende aus dem Labor „Transport at Nanoscale Interfaces“ haben die Lichtausbeute von Chalkogenid-Perovskiten erstmals experimentell bestimmt und festgestellt, dass diese Materialien wesentlich effizienter leuchten als bislang angenommen.

Eine typische Solarzelle besteht aus kristallinem Silizium und wandelt rund 20 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dies ist die gängigste Möglichkeit, eine Solarzelle herzustellen – aber nicht die Einzige. Andere Materialien ermöglichen beispielsweise leichte und flexible Zellen, brauchen weniger Energie bei der Herstellung oder steigern den Wirkungsgrad. Eine vielversprechende Alternative sind Solarzellen aus Perovskit. Das Wort Perovskit bezeichnet in der Materialwissenschaft nicht eine bestimmte chemische Verbindung, sondern vielmehr eine bestimmte Materialstruktur. Am bekanntesten sind Halogenid-Perovskite, die auch an der Empa rege erforscht und vom Spin-off Perovskia Solar kommerzialisiert werden. 
Aber auch andere Stoffe können diese kristalline Perovskit-Struktur annehmen, wie die sogenannten Chalkogenid-Perovskite. Chalkogenide sind stabil, bestehen aus ungiftigen und in der Erdkruste reichlich vorkommenden Elementen und besitzen die notwendigen optischen und elektronischen Eigenschaften für Solarzellen und ähnliche Anwendungen – zumindest theoretisch. Denn bisher konnte eine der wichtigsten Eigenschaften dieser Materialien, die Lichtausbeute, nicht experimentell bestimmt werden.

Das Material „durchschaut“

Ein Team von Empa-Forschenden rund um Mirjana Dimitrievska, gemeinsam mit Susan Schorr vom Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin sowie weiteren Partnern, konnte nun erstmals die Lichtausbeute in Chalkogenid-Perovskiten experimentell ermitteln. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift „Advanced Optical Materials“ veröffentlicht. Um Photolumineszenz – sozusagen die „Leuchtkraft“ – im Material zu „finden“, haben die Empa-Forschenden einen Kristall aus Barium-Zirkonium-Sulfid, einem Chalkogenid-Perovskit, untersucht, der am Helmoltz-Zentrum hergestellt wurde. Dafür setzten sie fortschrittliche Spektroskopie-Methoden ein – eine Spezialität der Forschungsgruppe von Mirjana Dimitrievska. „Damit konnten wir nachweisen, dass das Material eine relativ starke Photolumineszenz hat. Wenn man es als Dünnschicht herstellt, wird diese Photolumineszenz aber sehr stark durch Defekte gedämpft, die bei der Synthese und der Verarbeitung entstehen“, erklärt die Forscherin. „Unsere Ergebnisse am Einkristall stimmen hingegen sehr gut mit der Theorie überein.“ Bis Chalkogenid-Perovskite zum Einsatz in der Praxis kommen, braucht es noch einiges an Entwicklungsarbeit. Aber: „Unsere Studie hat gezeigt, dass diese Materialien großes Potenzial haben, und dass sich ihre weitere Erforschung lohnt“, resümiert Dimitrievska.

Ein Nebenprodukt macht Karriere

Die möglichen Anwendungen können sich im Verlauf der Materialentwicklung wandeln. Materialien, die für Solarzellen entwickelt werden, sind auch für andere optoelektronische Anwendungen von Interesse, etwa als Photodetektoren. Und manchmal kommen sogar gänzlich unerwartete Anwendungen dazu. Bei der Synthese von Chalkogenid-Perovskiten aus ihren Ausgangselementen entsteht ein Nebenprodukt. Statt der kristallinen Perovskit-Struktur bilden sich dabei winzige nadelartige Strukturen mit einem sechseckigen Querschnitt. Diese ehemals unerwünschte Form besitzt erstaunliche Eigenschaften. Die Chalkogenid-Nadeln, polarisieren, brechen und leiten Licht auf ganz besondere Art und zeigen darüber hinaus Potenzial als Supraleiter sowie als Quantenmaterialien.
In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) im Rahmen des internationalen „Weave“-Programms unterstützten Projekt wollen Dimitrievska und ihr Team, gemeinsam mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland, nun diese „Quanten-Nadeln“ erforschen, ihre einzigartigen Eigenschaften besser verstehen, ihre Herstellung weiterentwickeln und sie in erste photonische und elektronische Komponenten integrieren.