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?

In den letzten Jahren erregten die Halogenid-Perowskite, ein neues, vielversprechendes Material für die solarzellen Technologie, die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Die atomare Kristall-struktur dieses Materials ist ein kompliziertes elektrostatisches Rätsel, das wir lösen wollten. Die Struktur lässt sich nicht mit dem klassischen Bild von Atomen beschreiben, die durch Federn verbunden sind, die bei Raumtemperatur hin und her schwingen. Das anorganisches Gerüst aus Blei- und Halogenidatomen umschließt organische Moleküle in kleinen Zellen. Diese Moleküle können im Innern der Zellen "rasseln und klappern" und dadurch schwache Bindungen mit dem Gerüst brechen und bilden. In diesem Projekt haben wir gezeigt, dass maßgefertigte "Spielzeug"-Modelle aus punkt-Dipolen oder klassischen Kraftfeldern nicht die erforderliche Genauigkeit haben, um dieses Rätsel zu lösen. Deshalb haben wir eine neue Methode zum "Lernen" eines hochflexiblen Kraftfeldes entwickelt, die auf nur ein paar hundert sehr genauen Berechnungen basiert, die mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) durchgeführt wurden. Basierend auf Techniken des "Machine-Learing" lernt der Computer automatisch ein Modell der potentiellen Energieoberfläche des Kristalls. Wir bezeichnen dieses Modell als Machine-Learning Force Field (MLFF). Mit dem MLFF simulierten wir die Bewegung der Atome des berühmtesten Halogenidperowskits Methylamonnium-PbI 3 in Echtzeit. Die Methode ist so genau, dass wir die Bewegungen der Moleküle simulieren konnten, während der Kristall einen so genannten Phasenübergang durchlief. Mit reinen VASP-Berechnungen wäre dies nicht möglich gewesen, da sie selbst auf einem modernen Supercomputer Jahre an Rechenzeit erfordern würden. Die Übereinstimmung zwischen den simulierten und experimentell gemessenen Gitterkonstanten und Phasenübergangstemperaturen ist beeindruckend und beispiellos für einen so hochdynamischen Festkörper. Die mit der MLFF-Methode erhaltenen Trajektorien der Moleküle wurden verwendet, um ein tieferes Verständnis der physikalischen Mechanismen im Inneren des Puzzles zu erhalten. Die Auswirkung der elektrostatischen dipolaren Wechselwirkungen zwischen den Molekülen auf die Gesamtenergie, wie sie durch "Spielzeug"-Modelle beschrieben wird, wurde analysiert. Wir zeigten, dass diese Wechselwirkungen bei Raumtemperatur und darüber einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Kristallstruktur haben. Dies stimmt mit unserer Vorhersage der Kristallstruktur des vollständig anorganischen CsPbI3 -Perowskits überein. Obwohl solche dipolaren Wechselwirkungen in diesem Material nicht vorhanden sind, ist die Änderung der Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur ähnlich. Die MLFF Methode eröffnet nun die Möglichkeit, atomare Strukturen vieler anderer hoch "dynamischer Festkörper" mit nahezu First-Principles-Genauigkeit zu simulieren, unter Einbeziehung anharmonischer Wechselwirkungen und Bindungsbildungs-/-bruchereignissen. Dies ist z.B. wichtig für die Entwicklung neuer Materialien für Batterien mit bewegten Ionen oder Thermoelektrika mit ultra-niedrigen Wärmeleitfähigkeiten.