Dynamik in Perowskit-Photovoltaik

Seit bekannt wurde, dass Organo-Metal Halid Perowskite als Solarzellen verwendet werden können, hat ein Konkurrenzkampf um die höchsten Wirkungsgrade begonnen. In den letzten 3 Jahren konnte eine erstaunliche Effizienzsteigerung von ~10% im Jahr 2012 bis über 20% im Jahr 2015 beobachtet werden. Das Material wird aus Elementen gewonnen, die reichlich in der Natur vorkommen. Die Produktion der Solarzelle ist besonders einfach und daher kann sie äußerst günstig produziert werden. Derzeit befindet sich die Zelle noch nicht in Massenproduktion, da sich das Material als nicht stabil genug herausstellt. Im Vergleich besitzen Silizium Solarzellen eine Lebensdauer von ungefähr 20 Jahren, wohingegen die Einsatzdauer von Perowskit Solarzellen auf wenige Tage beschränkt ist. Die physikalischen Eigenschaften, die dem Material schlechte Haltbarkeit geben, bringen aber auch Vorteile mit sich. Das Material besitzt polare Phononen („Vibrationen des ionischen Gitters“) und „frei“ rotierende Methylammonium (MA) Moleküle. Langsam oszillierende elektrische Felder können durch die polaren Phononen und die intrinsischen Dipolmomente der MA Moleküle abgeschirmt werden. In einer anfänglichen Studie wurde versucht die Auswirkungen dieser polaren Phononen im angeregten Zustand des Materials zu verstehen. In einem Versuch das Perowskit zu stabilisieren, haben Forscher ein 2D Material (hexagonal Boron-Nitrit) als Schutzmantel verwendet. Dieses Material ist lichtdurchlässig, schützt aber vor Luftfeuchtigkeit. Wie diese Grenzfläche sich auf die Orientierung der Moleküle auswirkt, ist unbekannt und hat Einfluss auf die Effizienz der Solarzelle. In diesem Projekt werden wir uns sowohl auf die Orientierung der MA Moleküle im Material selbst konzentrieren als auch auf die Grenzfläche zum 2D Material und bestimmen unter welchen Umständen ein langreichendes Ordungsverhalten auftritt. Die Orientierung der MA Moleküle kann nicht eindeutig durch Experimente bestimmt werden, weshalb wir uns mit Molekular Dynamik Simulationen Abhilfe verschaffen. Mit diesen Berechnungen werden wir folgende Frage beantworten: „Haben die Methylammonium Moleküle in den Rekord brechenden MAPbI3 Perowskiten einen entscheidenden Einfluss auf die hohe Effizienz und wenn ja, welchen?“