Um globale Energieherausforderungen zu meistern und die drohende Umweltkrise zu bekämpfen, erforschen Forscher auf der ganzen Welt neue Materialien zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Einige der vielversprechendsten Kandidaten für hocheffiziente, kostengünstige Solarzellenanwendungen basieren auf Bleihalogenid-Perowskit-Halbleitern (LHP). Trotz rekordverdächtiger Solarzellen-Prototypen ist der mikroskopische Ursprung der überraschend hervorragenden optoelektronischen Leistung dieser Materialklasse immer noch nicht vollständig geklärt.
Nun demonstrierte ein internationales Team aus Physikern und Chemikern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, der École Polytechnique in Paris, der Columbia University in New York und der Freien Universität Berlin die lasergesteuerte Steuerung grundlegender Bewegungen des LHP-Atomgitters. Durch die Anwendung einer plötzlichen elektrischen Feldspitze, die schneller als eine Billionstelsekunde (Pikosekunde) ist, in Form eines einzelnen Lichtzyklus ferninfraroter Terahertz-Strahlung, enthüllten die Forscher die ultraschnelle Gitterreaktion, die zu einem dynamischen Schutzmechanismus für Elektrizität beitragen könnte Gebühren. Diese präzise Kontrolle der atomaren Drehbewegungen wird die Schaffung neuartiger Nichtgleichgewichts-Materialeigenschaften ermöglichen und möglicherweise Hinweise für die Gestaltung des Solarzellenmaterials der Zukunft liefern.
Die untersuchten hybriden LHP-Solarzellenmaterialien bestehen aus einem anorganischen Kristallgitter, das als periodische Käfige für die Aufnahme organischer Moleküle fungiert. Das Zusammenspiel freier elektronischer Ladungen mit diesem Hybridgitter und seinen Verunreinigungen bestimmt, wie viel Strom aus der Energie des Sonnenlichts gewonnen werden kann. Das Verständnis dieser komplizierten Wechselwirkung könnte der Schlüssel für ein mikroskopisches Verständnis der herausragenden optoelektronischen Leistung von LHPs sein. Forschern des Fritz-Haber-Instituts in Berlin und ihren internationalen Kollegen ist es nun gelungen, die Gitterreaktion auf ein elektrisches Feld auf Zeitskalen von weniger als 100 Femtosekunden, also einem Zehntel einer Billionstel Sekunde, zu isolieren. Das elektrische Feld wurde durch einen intensiven Laserpuls angelegt, der nur einen einzigen Zyklus ferninfraroten Lichts, sogenanntes Terahertz (THz), enthält. „Dieses THz-Feld ist so stark und so schnell, dass es das lokale elektrische Feld eines angeregten Ladungsträgers unmittelbar nach der Absorption eines Quantums Sonnenlicht nachahmen kann“, erklärt Maximilian Frenzel, einer der Hauptautoren der Experimente.
Mit diesem Ansatz beobachten die Forscher eine konzertierte Bewegung des Kristallgitters, die hauptsächlich aus einer Vor- und Zurückneigung der oktaedrischen Bausteine des anorganischen Käfigs besteht. Diese nichtlinear angeregten Schwingungen können zu – bisher vernachlässigten – Abschirmungseffekten höherer Ordnung führen und zu einem oft diskutierten Ladungsträgerschutzmechanismus beitragen. „Darüber hinaus spielt der damit verbundene Kippwinkel eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der grundlegenden Materialeigenschaften, wie etwa der kristallographischen Phase oder der elektronischen Bandlücke“, erläutert Dr. Sebastian Maehrlein, Leiter des internationalen Forschungsprojekts. Anstelle der statischen chemischen Abstimmung der Materialeigenschaften kommt damit ein ultraschnelles dynamisches Materialdesign in Frage: „Da wir diese Verdrehungswinkel jetzt durch einen einzigen THz-Lichtzyklus modulieren können“, fasst Dr. Mährlein zusammen, „können wir sie in Zukunft möglicherweise steuern.“ Materialeigenschaften nach Bedarf oder entdecken Sie sogar neue exotische Zustände dieser aufstrebenden Materialklasse. Durch die Beurteilung solcher dynamischer Materiezustände hoffen die Forscher, Hinweise für die Gestaltung der Energiematerialien der Zukunft zu geben.