Nicht nur Elektronenfluss, sondern 100fache Ionenleitfähigkeit
Licht macht manche Materialien auf bislang ungeahnte Weise leitfähig. Dass in gewöhnlichen Silicium-Solarzellen bei Sonneneinstrahlung Elektronen fließen, ist bekannt. Nun aber warten Wissenschaftler des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung mit einer Überraschung auf: In einem speziellen, ebenfalls für Solarzellen verwendeten Perowskit setzt Licht nicht nur Elektronen frei, sondern auch elektrisch geladene Atome, so genannte Ionen ein neuartiger, sogar ausgesprochen starker Fotoeffekt. Die Ionenleitfähigkeit erhöhte sich nämlich um das Hundertfache. Aus Sicht der Stuttgarter Forscher ist der Effekt an sich richtungweisend, weil er neuartige lichtgesteuerte elektrochemische Anwendungen denkbar macht wie etwa Batterien, die direkt durch Licht aufgeladen werden.
Bislang unbekannter Fotoeffekt: In manchen Materialien wie etwa im Perowskit Methylammonium-Bleiiodid (MAPI, Foto oben) tragen Ionen ausgesprochen stark zur lichtinduzierten Leitfähigkeit bei. Zunächst setzt das Licht, wie in Solarzellen üblich, Elektronen frei. Die zurückbleibenden positiv geladenen Löcher neutralisieren negativ geladene Iodidionen im Kristall. Weil ein ungeladenes Iodatom kleiner ist als ein Iodidion, belegt es einen Zwischengitterplatz, in den das Iodidion nicht passt. Die entstehenden Lücken im Kristallgitter ermöglichen die Ionenleitung auf ganz ähnliche Weise, wie Elektronenlöcher Elektronleitung erlauben – Grafik © MPI für Festkörperforschung
Wenn es um die Effizienz geht, setzen Silicium-Solarzellen Maßstäbe. Doch gerade für die photovoltaischen Elemente mit besonders hohen Wirkungsgraden ist die Produktion des Siliciums aufwändig und teuer. Perowskite könnten da kostengünstiger sein. Wie Licht den Stromtransport in diesen Materialien beeinflusst, haben nun Wissenschaftler um Joachim Maier, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, in dem Perowskit Methylammonium-Bleiiodid (MAPI) untersucht. Ihr Interesse an solchen Materialien wurde während einer Zusammenarbeit mit Michael Grätzel geweckt, der an École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) forscht und auswärtiges wissenschaftliches Mitglied des Stuttgarter Max-Planck-Institutes ist.
Bei ihren Experimenten beobachteten die Forscher nun, dass Ionen, also geladene Atome, in unerwartet hohem Maß zur Leitfähigkeit beitragen, wenn das Material beleuchtet wird. Der Effekt kann in Perowskit-Solarzellen zu strukturellen Veränderungen führen und den Wirkungsgrad beeinträchtigen. „Unsere Erkenntnisse könnten jedoch helfen, solchen Alterungsprozessen vorzubeugen“, sagt Joachim Maier. Für den Chemiker ist das Phänomen vor allem deshalb interessant, weil es die Möglichkeit schafft, mit Hilfe von Licht bewegliche Ionen frei zu setzen, diejenigen Ladungsträger also, die bei elektrochemischen Anwendungen wie Batterien, Brennstoffzellen oder elektrochemische Sensoren und Schalter den Strom transportieren.
Ein Mechanismus übersetzt von Licht erzeugte Löcher in Ionenleitfähigkeit
Dass Licht Ionenleitung beeinflusst, wurde bislang nur in der Biologie nachgewiesen. So wird durch Beleuchtung die Durchlässigkeit einer Zellmembran verändert. Maier findet jedoch die Tatsache „überraschend, dass sich die Ionenleitung kristalliner Festkörper direkt verändern lässt und in welchem Ausmaß dies möglich ist“. Sein Team beobachtete nämlich, dass sich die Anzahl der freien Iodidionen um das Hundertfache erhöhte. Die Ionenleitung wird dadurch ähnlich stark erhöht, wie es von der lichtinduzierten elektronischen Leitfähigkeit bekannt ist.
Das Phänomen haben die Stuttgarter Forscher nicht nur experimentell nachgewiesen – sie können es auch erklären. Demnach setzt das Licht, wie in Solarzellen üblich, zunächst Elektronen frei. Die negativ geladenen Elektronen hinterlassen im Kristallgitter positiv geladene Löcher, wie sich Physiker ausdrücken. Diese neutralisieren ansonsten negativ geladene Iodidionen im Kristall. Weil ein ungeladenes Iodatom viel kleiner ist als ein Iodidion, belegt es einen so genannten Zwischengitterplatz, also einen Freiraum im Kristallgitter, in den das größere Iodidion nicht passt. Die entstehenden Lücken im Kristallgitter ermöglichen die Ionenleitung auf ganz ähnliche Weise, wie die Elektronenlöcher Elektronleitung erlauben. „Entscheidend für diesen Effekt ist, dass es einen Mechanismus gibt, der die vom Licht erzeugten Löcher direkt in eine Ionenleitfähigkeit übersetzt“, sagt Joachim Maier.