Technik kurz erklärt Die Entdeckung der Perowskite

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In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir regelmäßig Meisterwerke der Konstruktion, besondere Entwicklungen oder bedeutende Entdeckungen vor. Heute: der Perowskit.

Seit geraumer Zeit ist besonders im Zusammenhang mit Solarzellen immer wieder von Perowskiten die Rede. Denn Perowskit-Materialien gelten als Hoffnungsträger unter anderem für eine neue Generation an hocheffizienter, kostengünstiger Solarzellen. Grund genug, die Entdeckung und den Einsatz des Minerals genauer zu beleuchten.

Wann wurde Perowskit entdeckt?

Entdeckt wurde das Mineral erstmals 1839 in einer Gesteinsprobe aus dem Uralgebirge.

Eingebettet in den Stein war ein etwa sieben Millimeter großer kubischer Kristall aus einem bis dato unbekannten Mineral. Der deutsche Mineraloge Gustav Rose (1798–1873) nannte das neu entdeckte Mineral Perowskit, nach seinem Sponsor, dem russischen Adligen und Mineralogen Lew Alexejewitsch Perowskij.

Was ist Perowskit?

Mit Perowskit werden sowohl ein natürlich vorkommendes Mineral, aber auch eine ganze Reihe an hochspezialisierten synthetischen Verbindungen bezeichnet. Gemeinsam ist ihnen allen ihr typisches Gitter, bekannt als Perowskitstruktur.

Die Kristallstruktur des Perowskits wurde 1926 vom schweizerisch-norwegischen Wissenschaftler Victor Goldschmidt beschrieben und ist wie folgt aufgebaut:

• Die Struktur besteht aus einer Anordnung von A- und B-Kationen in einem kubischen Gitter, das Gitter ist umgeben von Anionen.

• Die Kristallstruktur basiert auf der chemischen Formel ABX3, wobei A und B positiv geladene Ionen – Kationen – sind. Bei X handelt es sich um ein negativ geladenes Anion.

• In der Perowskit-Struktur befinden sich die A-Kationen in den Ecken des kubischen Gitters, während die B-Kationen in der Mitte der Kanten des Gitters sitzen. Die Anionen (X) füllen die Zwischenräume zwischen den Kationen aus.

• Diese Anordnung führt zu einer stabilen und gut definierten kristallinen Struktur.

• Beim ursprünglichen Perowskit, dem Calciumtitanoxid, sind A und B Calcium- beziehungsweise Titan-Kationen, X ein Sauerstoff-Anion.

Was ist das Besondere an Perowskit?

Perowskite lassen sich auch aus anderen A-, B- und X-Komponenten herstellen. Ändert man die genaue Zusammensetzung des Perowskits, kann man die Eigenschaften gezielt steuern, zum Beispiel hinsichtlich darunter Supraleitung, Riesenmagnetowiderstand, spinabhängiger Transport (Spintronik) oder katalytischen Eigenschaften.

Bekannt sind etwa Bleihalogenid-Perowskite. Sie enthalten an der B-Stelle Blei und X ist ein Halogen-Anion wie Chlorid, Bromid oder Iodid. An der A-Stelle ist ein großes Kation zu finden, meist entweder Cäsium oder ein organisches Kation wie Methylammonium. Bleihalogenid-Perovskite sind gute Halbleiter, dessen Eigenschaften sich steuern lassen, indem man ihre genaue Zusammensetzung variiert. Sie lassen sich aus einfachen Chemikalien und Lösungsmitteln sowie aus Schmelzen herstellen, beispielsweise zu Dünnschichten oder großen Monokristallen.

Anwendungen von Perowskiten

Je nach Zusammensetzung ergeben sich für Perowskite verschiedene Einsatzszenarien:

• Nanokristalle: Perowskitkristalle im Nanometerbereich weisen Photolumineszenz und Quanteneffekte auf und könnten in neuartiger Elektronik eingesetzt werden.

• Monokristalle: Große Perovskit-Monokristalle (bis zu einem Zentimeter) können als Detektoren für Licht oder Röntgenstrahlung dienen.

• Dünnschichten: Dünnschichten aus Perowskit haben vielversprechende Anwendungen in der Produktion von Solarzellen.

Dementsprechend gelten Perowskit-Materialien als große Hoffnungsträger – nicht nur für eine neue Generation effizienter, kostengünstiger Solarzellen.

Perowskit-Solarzellen haben im Vergleich zu anderen Arten von Photovoltaik einen phänomenalen Wirkungsgradzuwachs verzeichnet.

Herausforderungen

Obwohl Perowskite vielversprechende Eigenschaften haben, gibt es auch Herausforderungen bei ihrer Anwendung wie die Stabilität unter verschiedenen Bedingungen und die Skalierbarkeit der Herstellungstechniken. Auch hier entwickeln sich die Zellen zwar schnell weiter, aber an eine Stromerzeugung, die 25 Jahre lang auch unter harschen Witterungsbedingungen auf einem stabilen Niveau liegt – üblich für die herkömmlichen Silizium-Solarzellen – kommen die Newcomer noch nicht ran.

Dennoch halten viele Forscher und Industrielle das Potenzial dieser Materialklasse für bedeutend und arbeiten daran, diese Herausforderungen zu überwinden, um ihre breite Anwendung voranzutreiben.

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Quellen:

www.uni-stuttgart.de

www.empa.ch

www.mdr.de

www.sciencemediacenter.de

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