Positronen erkennen Materialfehler in Solarzellen

Solarzellen Mit Positronen untersuchten Forschende Fehlstellen in der Kristallstruktur von Solarzellen. © Reiner Müller / FRM II, TUM

Mit Positronen untersuchten Forschende Fehlstellen in der Kristallstruktur von Solarzellen. © Reiner Müller / FRM II, TUM

Wie kann der Ertrag von Photovoltaikanlagen gesteigert werden? Lebensdauerstudien mit Positronen am MLZ helfen, neue Materialien für Solarzellen besser zu verstehen und so ihren Herstellungsprozess zu verbessern.

Metallhalogenid-Perowskite versprechen eine neue Technologie für Solarzellen: Sie haben einen hohen Wirkungsgrad, sind billig in der Produktion und einfach herzustellen. Darüber hinaus haben sie das Potenzial, höhere Leistungen zu erzielen als bisherige Solarzellen auf Siliziumbasis.

Fehlstellen im Kristall mindern die Leistung

Forschende versuchen jedoch immer noch zu verstehen, warum der Wirkungsgrad von Metallhalogenid-Perowskiten so hoch ist. Fehlstellen auf atomarer Ebene in der Kristallstruktur verringern normalerweise den Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen. Die Forscher um David Keeble von der Universität Dundee in Großbritannien untersuchten verschiedenen Arten von Kristallgitterfehlstellen, um Herstellungsprozesse für eine optimale Leistung zu entwickeln.

Bis vor kurzem konnten die Forscher die mutmaßlichen Punktdefekte nur durch theoretische Berechnungen ermitteln. Nun konnte das Team aus britischen und schwedischen Forschenden an der Positronenquelle NEPOMUC des MLZ mittels Positronen-Lebensdauerspektroskopie verschiedene Defekttypen und ihre Ladungszustände identifizieren und dadurch die theoretischen Vorarbeiten verifizieren.

Positronen geben Aufschluss über Defekte

Wenn Positronen auf ihre Antiteilchen, die Elektronen, treffen, zerfallen sie, und senden messbare Strahlung aus. Dr. Marcel Dickmann von der Universität der Bundeswehr München hat diese Strahlung mit dem Pulsed Low-Energy Positron System (PLEPS) am MLZ gemessen: “Wir können den Zeitpunkt der abgegebenen Strahlung messen, was auf die Lebensdauer der Positronen schließen lässt. Diese ist charakteristisch für die Art und Konzentration der Fehlstellen im Kristall.”

Positronen werden in Kristalldefekten gefangen. Je weniger Elektronen sich dort befinden, desto länger leben sie. Ihre Lebensdauer ist also ein Maß für die Elektronendichte in der Fehlstelle. Die Forschenden maßen die Zeiten zwischen dem Eintreffen im Probenkristall und dem Zerstrahlen vieler Millionen Positronen, um die verschiedenen Leerstellen-Defekttypen zu charakterisieren. Dabei verwendeten sie den gepulsten, monoenergetischen Strahl der weltweit intensivsten Positronenquelle NEPOMUC am MLZ, der es ihnen ermöglichte sowohl oberflächennahe als auch wenige Mikrometer tiefe Defekte aufzuspüren. Ihre Messungen verglichen die Forschenden mit theoretisch berechnete Positronen-Lebensdauern und konnten so die fehlenden Atome genau identifizieren.