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.

Ein aufgehender Stern am Perovskit-Himmel sind sogenannte 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.

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.

Das Material «durchschaut»

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.»

Die Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis ist ein Grundelement der Materialwissenschaft. «Materialentwicklung beginnt in der Regel mit der Theorie», sagt Dimitrievska. «Materialinformatiker postulieren anhand von theoretischen Modellen und Berechnungen, welche Materialien für eine bestimmte Anwendung in Frage kämen. Danach werden sie synthetisiert und zu ersten Prototyp-Komponenten verarbeitet, etwa Bauteile für Solarzellen und Fotodetektoren, um zu schauen, ob sie die Erwartungen erfüllen.»

Immer dann, wenn die Praxis von der Theorie abweicht, beantwortet Spektroskopie-Expertin Dimitrievska die Frage nach dem Warum. «Wir können herausfinden, ob zum Beispiel die Synthese nicht optimal war und das Material zu viele Defekte aufweist, oder ob die elektrischen Anschlüsse bei der Prototyp-Komponente das Problem sind», führt sie aus. Anhand dieser Erkenntnisse werden sowohl die Synthese als auch die Verarbeitung des Materials weiterentwickelt – bis es für die Anwendung bereit ist. 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.