Ferroelektrizität in Methylammoniumbleiiodid-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen erreichen etwa ein Jahrzehnt nach ihrer Entdeckung bereits verblüffende Wirkungsgrade über 25 %. Damit sind sie als kleine Solarzellen im Labormaßstab bereits nahezu so effizient wie die monokristallinen Silizium-Solarzellen, die momentan den globalen Markt der Photovoltaiktechnologien dominieren. Zudem vereinen Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen, z.B. aus Methylammoniumbleiiodid, potentiell kostengünstige und energieeffiziente Herstellungsmöglichkeiten mit herausragenden optoelektronischen Eigenschaften. Die optoelektronischen Eigenschaften sind jedoch weder vollständig erforscht, noch herrscht Einigkeit unter Forschern über die Interpretation verschiedener experimenteller Beobachtungen. Hierzu zählen im Besonderen die zeitdynamischen Veränderungen dieser Perowskite unter dem Einfluss von elektrischen Feldern, die entweder ionischen Effekten oder Ferroelektrizität zugeordnet werden.

Diese Arbeit führt den experimentellen Nachweis, dass es sich bei Methylammoniumbleiiodid um einen ferroelektrischen Halbleiter handelt der polare Domänen bildet. Sie widerlegt damit die in der Literatur gängige Interpretation eines durch Ferroelastizität und ionische Leitfähigkeit modulierten Halbleiters. ... mehr
Mittels Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie (PFM) werden ferroelektrische Domänen in den polykristallinen Schichten aus Methylammoniumbleiiodid nachgewiesen. Diese Domänen bilden sich selbstständig während des Herstellungsprozesses und formen symmetrische geordnete Strukturen innerhalb der Körner. Messungen der lateralen und vertikalen Piezoantwort zeigen, dass die Polarisation der ferroelektrischen Domänen nahezu vollständig in der Schichtebene liegt. Um elektronische Eigenschaften der Domänen zu erforschen, werden hochaufgelöste Strom- und Kelvin-Probe-Rasterkraftmikroskopiemessungen genutzt und ortsgenau mit PFM-Messungen korreliert.
Diese Messungen weisen nach, dass die Domänen die örtliche Ladungsträgerextraktion zwischen Perowskitkristalliten und der Messspitze modulieren.

In dieser Arbeit wird ferner nachgewiesen, dass sich die polaren Domänen durch ein externes Feld polen lassen, was in der Literatur bisher oftmals ausgeschlossen wird.
Damit ist auch anhand dieses Kriteriums die ferroelektrische Natur von Methylammoniumbleiiodid zweifelsfrei belegt.

Hierzu werden Gleichspannungs-Polungsfelder zwischen zwei Goldelektroden in lateraler Richtung an die Perowskitschicht angelegt. In Kombination mit den PFM-Messungen an denselben Probenstellen, vor und nach der Polung, werden Veränderungen der Domänenformen nachgewiesen.

Anhand der Veränderungen der Strom-Spannungs-Charakteristiken des Perowskits zwischen den Goldelektroden wird gezeigt, dass die ferroelektrischen Polungsvorgänge mit Veränderungen der Schichtleitfähigkeit einhergehen.
Somit zeigen sich trotz des symmetrischen Probenaufbaus Diodencharakteristiken, die durch Gleichspannungspolung bipolar schaltbar sind.

Für die Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen kann die Ferroelektrizität von Methylammoniumbleiiodid von großer Bedeutung sein. Zum einen könnten sich durch die polaren Domänen Ladungstransportkanäle in den Schichten ausbilden, was zu den hohen Wirkungsgraden der Solarzellen beitragen würde. Zum anderen liegen die domänenverändernden Polungsfeldstärken in der Größenordnung von elektrischen Feldern die bei Betrieb und Vermessung auftreten, wodurch eine weitere Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften möglich ist.