Forschung -

Halbleitermaterial ist doch stärker von Mängeln betroffen

Ein vielversprechendes Halbleitermaterial könnte verbessert werden, wenn Fehler, die hinsichtlich der Performance bisher für unbedenklich gehalten wurden, reduziert werden. Der Forschungsbericht "Carrier lifetime enhancement in halide perovskite via remote epitaxy" erschien in "Nature Communications".

Eine Gruppe von Forschern vom Rensselaer Polytechnischen Institut und anderen Universitäten hat gezeigt, dass ein spezifischer Defekt die Fähigkeit von Halogenidperowskit beeinträchtigt, Energie aus Licht in Form von Elektronen zu speichern.

"Defekte in Halbleitern können gut oder schlecht sein", sagte Jian Shi, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften. "Aus irgendeinem Grund hat man nicht auf Versetzungen in Halogenidperowskit geachtet, aber wir haben gezeigt, dass dieser Defekt ein Problem in Halogenidperowskit ist."

Die Forschung an Halogenidperowskit hat den Wirkungsgrad des Materials im Laufe eines Jahrzehnts bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie von etwa 3 Prozent auf 25 Prozent - das entspricht dem Stand der Technik bei Silizium-Solarzellen - schnell verbessert. Forscher mühten sich dagegen jahrzehntelang mit Silizium, um den aktuellen Wirkungsgrad dieses Materials zu erreichen.

Halogenidperowskit hat auch eine vielversprechende Trägerdynamik, die ungefähr definiert ist als die Zeitspanne, in der die vom Material absorbierte Lichtenergie in Form eines angeregten Elektrons zurückgehalten wird.

Um eine gute solare Energieumwandlung zu erhoffen, müssen die Elektronen im Material ihre Energie lange genug speichern, um von einer am Material befestigten Elektrode gewonnen zu werden. Erst dann ist die Umwandlung von Licht in elektrische Energie abgeschlossen.

Das Material galt lange Zeit als "fehlertolerant", also Fehler wie fehlende Atome, schlechte Bindungen zwischen den Kristallkörnern und eine Diskrepanz, die als kristallografische Dislokation bekannt ist, hätten keinen großen Einfluss auf die Effizienz.

Neuere Forschungen haben diese Annahme infrage gestellt und entdeckt, dass einige Defekte doch Performanceaspekte des Kristalls beeinflussen.

Die Forscher testeten, ob der Defekt der kristallografischen Versetzung die Trägerdynamik beeinflusst, indem man den Kristall auf zwei verschiedenen Substraten züchtete.

Ein Substrat hatte eine starke Wechselwirkung mit dem Halogenidperowskit, während es abgeschieden wurde, was zu einer höheren Versetzungsdichte führte. Das andere Substrat hatte eine schwächere Interaktion und erzeugte somit eine geringere Versetzungsdichte.

Die Ergebnisse zeigten, dass Versetzungen die Trägerdynamik von Halogenidperowskit negativ beeinflussen. Es wurde zudem festgestellt, dass die Verringerung der Versetzungsdichten um mehr als eine Größenordnung zu einer Erhöhung der Elektronenlebensdauer um das Vierfache führte.

"Eine Schlussfolgerung ist, dass Halogenidperowskit einen ähnlichen Versetzungseffekt hat wie herkömmliche Halbleiter", sagte Shi. "Wir müssen auf Versetzungen in Halogenidperowskit achten, ein Faktor, den man beim Arbeiten mit diesem Material bisher ignorierte."

Shis letzte bedeutende Forschungsarbeit mit Halogenidperowskit zeigte die Rolle des Drucks auf die optischen Eigenschaften dieses Halbleiters. Dieser Projektbericht wurde in 2018 in "Science Advances" veröffentlicht.

Am Rensselaer Polytechnischen Institut wurde Shi von Forschern der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie der Fakultät für Physik, Angewandte Physik und Astronomie unterstützt.

Forscher der Kunming University of Science and Technology, der Tsinghua University, der University of Science and Technology Beijing, des Forschungszentrums Jülich und der Brown University trugen ebenfalls zur Forschung bei.

Das Projekt wurde teilweise von der National Science Foundation und dem Air Force Office of Scientific Research unterstützt.

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