Weniger Energieverluste in Solarzellen

In diesen Solarzellen haben Elektronen den Dreh raus

Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg haben beobachtet, dass Elektronen beim Stromtransport in bestimmten Materialstrukturen ausgerichtet sind. Auf diese Weise lassen sich Prozesse vermeiden, die zu Energieverlusten – zum Beispiel in Solarzellen – führen würden.

Bewegt sich ein Elektron durch organisch-anorganische Perowskit-Halbleiter, so zeigt sein Spin wie eine Magnetnadel stets senkrecht zur Bewegungsrichtung (gelb) und zu elektrischen Feldern (schwarz), die durch winzige Verzerrungen im Material erzeugt werden. Das Elektron, also Strom, kann sich dadurch effizient durch den Kristall bewegen. Stöße müssten nämlich gleichzeitig Spin und Bewegungsrichtung ändern, was selten vorkommt. Graue und grüne Kugeln stehen für die Blei- und Brom-Atome, aus denen das Material besteht, Hanteln für die eingelagerten Moleküle. (Bild: FAU/Daniel Niesner).

Diese Beobachtung trägt maßgeblich dazu bei, das Verständnis für die grundsätzlichen mikroskopischen Prozesse in Solarzellen der nächsten Generation zu erhöhen. Die Ergebnisse des Erlanger Teams des Lehrstuhls für Festkörperphysik, des i-Meet am Department für Materialwissenschaften und des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung wurden jetzt im renommierten Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht und von der Redaktion als Editor’s Suggestion besonders hervorgehoben.*

Elektronen sind die Elementarteilchen, die elektrische Ladung transportieren, und so als Strom unser modernes Leben ermöglichen. Neben ihrer Ladung tragen die Elektronen auch einen Spin. Der Spin macht das Elektron zu einem winzigen Magneten. In den meisten Materialien kann dieser Magnet beliebig zur Bewegungsrichtung des Elektrons orientiert sein. Nur unter Ausnutzung ganz bestimmter Effekte lässt sich der Spin ausrichten.

Wissenschaftler suchen aktiv nach Materialien, in denen eine solche Ausrichtung stattfindet, da sich damit neuartige Elektroniken entwickeln ließen. Rechnungen haben gezeigt, dass dies in organisch-anorganischen Halbleitern mit Perowskit-Struktur der Fall sein könnte. Diese Kristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie anorganische Komponenten (Blei oder Zinn, und Iod oder Brom) mit organischen Molekülen verbinden, und die wünschenswerten Eigenschaften beider Materialklassen kombinieren. Die Materialien haben in den letzten Jahren für Aufsehen gesorgt durch ihre hohe Effizienz in Solarzellen, Lasern, Leuchtdioden, sowie in Detektoren für sichtbares Licht, UV- oder Röntgenstrahlung.

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Im Experiment konnte die Ausrichtung des Spins in dem Material jetzt erstmalig direkt nachgewiesen werden. Die Ausrichtung wird durch einen Effekt erreicht, der nach dem ukrainischen Physiker Emmanuil I. Raschba benannt ist. Dabei zeigt der Spin des Elektrons wie eine Magnetnadel stets senkrecht zu elektrischen Feldern, die durch Verzerrungen im Material erzeugt werden. Wissenschaftler der FAU konnten den stärksten bis heute bekannten Raschba-Effekt nachweisen. Die Ergebnisse liefern einerseits eine Grundlage für die Erklärung und Optimierung der bisher nur teilweise verstandenen hohen Effizienz von Solarzellen und Lasern aus organisch-anorganischen Perowskit-Halbleitern. Durch die Ausrichtung des Spins werden nämlich Stöße der Elektronen mit dem Gitter und mit anderen Elektronen reduziert, wodurch weniger Wärmeverluste zu verzeichnen sind. Andererseits sind völlig neue Anwendungen denkbar, in denen der Spin selbst durch Anlegen von Spannung manipuliert und als Datenspeicher oder für Rechenoperationen genutzt wird. Ein Spin-basierter Rechner könnte weit energieeffizienter arbeiten als heutige Computer.

Originalveröffentlichung:

* arXiv:1606.05867v3 – öffentlich einsehbarer Vorabdruck : https://arxiv.org/abs/1606.05867 

Daniel Niesner et. al.: Giant Rashba Splitting in CH3NH3PbBr3 Organic-Inorganic Perovskite.

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