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Atombewegung könnte Leistungsgrenzen von Solarzellen verschieben
Ein Kristall kann im zeitlichen Mittel vollkommen symmetrisch wirken und dennoch einen gerichteten Photostrom erzeugen. Experimente an CuCrP₂S₆ zeigen, dass thermisch bewegliche Kupferionen offenbar immer wieder die nötige lokale Asymmetrie erzeugen, sodass der Effekt bis Raumtemperatur erhalten bleibt und dort sogar stärker wird.
Yokohama (Japan). Herkömmliche Solarzellen trennen lichtangeregte Ladungsträger meist an Grenzflächen wie einem p-n-Übergang, während der Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPVE) direkt im Kristall einen Gleichstrom ohne angelegte Spannung erzeugen kann. Der Mechanismus wird deshalb als möglicher Ansatz für neuartige Photovoltaik und selbstversorgte optoelektronische Bauelemente untersucht.
Für den sogenannten Shift-Strom, einen wichtigen Mechanismus des BPVE, galt bisher eine klare Symmetrieregel, weil sich die lichtinduzierten Verschiebungen der Elektronen in einem inversionssymmetrischen Kristall gegenseitig aufheben sollten. Bei einem im Mittel zentrosymmetrischen Material wäre demnach kein solcher gerichteter Strom zu erwarten.
Forscher des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) um Takao Sasagawa haben nun CuCrP₂S₆ (CCPS) untersucht, einen geschichteten van-der-Waals-Kristall, dessen Struktur sich mit der Temperatur verändert. Bei tiefen Temperaturen fehlt dem Material die Inversionssymmetrie, während beweglichere Kupferionen die zeitlich gemittelte Kristallstruktur bei höheren Temperaturen zunehmend zentrosymmetrisch erscheinen lassen.
Das Team hat Einkristalle zwischen 15 und 300 Kelvin vermessen und den Photostrom entlang zweier Kristallachsen verglichen. Ein Strom ohne äußere Spannung trat dabei ausschließlich entlang der polaren a-Achse auf und blieb über die strukturellen Übergänge hinweg erhalten. Messungen mit Silber- und Platinelektroden sowie unterschiedlichen Lichtintensitäten und Wellenlängen sprechen dafür, dass der Effekt aus dem Kristall selbst stammt und zu einem Shift-Strom passt.
„Nach der herkömmlichen Theorie sollte der BPVE in der Raumtemperaturphase verschwinden, weil die Inversionssymmetrie wiederhergestellt ist. Zu unserer Überraschung zeigten unsere Experimente, dass bei Raumtemperatur ein deutlicher Photostrom ohne angelegte Spannung bestehen bleibt und sogar auf etwa das 1,5-Fache des Werts in der Tieftemperaturphase anwächst“, erklärt Takao Sasagawa.
Die Erklärung liegt nach Ansicht der Forscher in den unterschiedlichen Zeitskalen von Elektronen und Ionen, denn bei Raumtemperatur springen die Kupferionen zwischen mehreren möglichen Positionen. Über längere Zeiten mitteln sich diese Positionen zu einer symmetrischen Struktur, doch die optische Anregung der Elektronen erfolgt innerhalb von Femtosekunden, während die Bewegungen der Kupferionen Pikosekunden oder länger benötigen.
Für die Elektronen ist das Gitter während eines einzelnen Anregungsvorgangs deshalb nahezu eingefroren. Sie reagieren auf die momentane lokale Anordnung der Atome und nicht auf das später gemessene zeitliche Mittel. Kurzlebige polare Bereiche können dadurch die Inversionssymmetrie lokal brechen und gemeinsam zum makroskopischen Photostrom beitragen, ohne dass eine dauerhafte polare Ordnung im gesamten Kristall nötig ist.
„Folglich können dynamisch erzeugte polare Cluster zur Shift-Strom-Antwort beitragen, obwohl die makroskopische Symmetrie in Beugungsmessungen zentrosymmetrisch erscheint“, erklärt Takao Sasagawa.
Auch die Temperaturabhängigkeit stützt dieses Bild, weil der Photostrom in der geordneten Tieftemperaturphase über einen großen Bereich annähernd konstant blieb und in Richtung Raumtemperatur zunahm. Die Autoren führen das auf thermisch aktivierte, vorübergehende polare Konfigurationen der Kupferionen zurück, wobei diese fluktuierenden Cluster in der aktuellen Arbeit nicht direkt abgebildet wurden.