Ferroelektrizität in Methylammoniumbleiiodid-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen erreichen etwa ein Jahrzehnt nach ihrer Entdeckung bereits verbluffende Wirkungsgrade uber 25 %. Damit sind sie als kleine Solarzellen im Labormasstab bereits nahezu so effizient wie die monokristallinen Silizium-Solarzellen, die momentan den globalen Markt der Photovoltaiktechnologien dominieren. Zudem vereinen Perowskit-Dunnschicht-Solarzellen, z.B. aus Methylammoniumbleiiodid, potentiell kostengunstige und energieeffiziente Herstellungsmoglichkeiten mit herausragenden optoelektronischen Eigenschaften. Die optoelektronischen Eigenschaften sind jedoch weder vollstandig erforscht, noch herrscht Einigkeit unter Forschern uber die Interpretation verschiedener experimenteller Beobachtungen. Hierzu zahlen im Besonderen die zeitdynamischen Veranderungen dieser Perowskite unter dem Einfluss von elektrischen Feldern, die entweder ionischen Effekten oder Ferroelektrizitat zugeordnet werden. Diese Arbeit fuhrt den experimentellen Nachweis, dass es sich bei Methylammoniumbleiiodid um einen ferroelektrischen Halbleiter handelt der polare Domanen bildet. Sie widerlegt damit die in der Literatur gangige Interpretation eines durch Ferroelastizitat und ionische Leitfahigkeit modulierten Halbleiters. Mittels Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie (PFM) werden ferroelektrische Domanen in den polykristallinen Schichten aus Methylammoniumbleiiodid nachgewiesen. Diese Domanen bilden sich selbststandig wahrend des Herstellungsprozesses und formen symmetrische geordnete Strukturen innerhalb der Korner. Messungen der lateralen und vertikalen Piezoantwort zeigen, dass die Polarisation der ferroelektrischen Domanen nahezu vollstandig in der Schichtebene liegt. Um elektronische Eigenschaften der Domanen zu erforschen, werden hochaufgeloste Strom- und Kelvin-Probe-Rasterkraftmikroskopiemessungen genutzt und ortsgenau mit PFM-Messungen korreliert. Diese Messungen weisen nach, dass die Domanen die ortliche Ladungstragerextraktion zwischen Perowskitkristalliten und der Messspitze modulieren. In dieser Arbeit wird ferner nachgewiesen, dass sich die polaren Domanen 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 Veranderungen der Domanenformen nachgewiesen. Anhand der Veranderungen der Strom-Spannungs-Charakteristiken des Perowskits zwischen den Goldelektroden wird gezeigt, dass die ferroelektrischen Polungsvorgange mit Veranderungen der Schichtleitfahigkeit einhergehen. Somit zeigen sich trotz des symmetrischen Probenaufbaus Diodencharakteristiken, die durch Gleichspannungspolung bipolar schaltbar sind. Fur die Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen kann die Ferroelektrizitat von Methylammoniumbleiiodid von groser Bedeutung sein. Zum einen konnten sich durch die polaren Domanen Ladungstransportkanale in den Schichten ausbilden, was zu den hohen Wirkungsgraden der Solarzellen beitragen wurde. Zum anderen liegen die domanenverandernden Polungsfeldstarken in der Grosenordnung von elektrischen Feldern die bei Betrieb und Vermessung auftreten, wodurch eine weitere Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften moglich ist.