Physik-Regel ausgehebelt: Dieser Kristall liefert Strom, den es nicht geben dürfte

Herkömmliche Solarzellen trennen lichtangeregte Ladungsträger an Grenzflächen, meist an einem p-n-Übergang, an dem zwei unterschiedlich dotierte Halbleiter aufeinandertreffen. Die Effizienz solcher Zellen unterliegt physikalischen Grenzen, deshalb untersuchen Forscher:innen Alternativen. Eine davon ist der Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPVE). Er erzeugt Gleichstrom direkt im Kristall, ohne Grenzfläche und ohne angelegte Spannung. Für seinen wichtigsten Mechanismus, den Shift-Strom, galt bisher eine klare Regel: Dem Kristall muss die Inversionssymmetrie fehlen. Ein Team des Institute of Science Tokyo um Takao Sasagawa hat nun ein Material gefunden, das diese Regel scheinbar bricht.

Ein Kristall, der im Mittel symmetrisch ist

In einem inversionssymmetrischen Kristall heben sich die lichtinduzierten Verschiebungen der Elektronen gegenseitig auf. Ein gerichteter Strom dürfte dort nicht entstehen. Die Forscher:innen untersuchten CuCrP₂S₆ (CCPS), einen geschichteten van-der-Waals-Kristall, dessen Struktur von der Temperatur abhängt. Bei tiefen Temperaturen fehlt ihm die Inversionssymmetrie. Steigt die Temperatur, beginnen die Kupferionen zwischen mehreren Positionen zu springen, und die zeitlich gemittelte Struktur erscheint zunehmend zentrosymmetrisch.

Das Team vermaß Einkristalle zwischen 15 und 300 Kelvin und verglich den Photostrom entlang zweier Kristallachsen. Ein Strom ohne äußere Spannung floss nur entlang der polaren a-Achse und blieb über alle strukturellen Übergänge hinweg erhalten. Messungen mit Silber- und Platinelektroden sowie mit verschiedenen Lichtintensitäten und Wellenlängen sprechen dafür, dass der Effekt aus dem Kristall selbst stammt und zu einem Shift-Strom passt. Bei Raumtemperatur sollte er laut Theorie verschwinden. Stattdessen wuchs er auf etwa das 1,5-Fache des Werts der Tieftemperaturphase. Sasagawa spricht von einer Überraschung.

Schnelle Elektronen, träge Ionen

Die Erklärung liegt in den Zeitskalen. Elektronen reagieren auf Licht innerhalb von Femtosekunden. Die Kupferionen brauchen für ihre Sprünge Pikosekunden oder länger. Während einer einzelnen Anregung wirkt das Gitter für die Elektronen deshalb wie eingefroren. Sie reagieren auf die momentane Anordnung der Atome und nicht auf den zeitlichen Mittelwert, den Beugungsmessungen zeigen.

Kurzlebige polare Cluster brechen die Symmetrie lokal und tragen gemeinsam zum makroskopischen Photostrom bei. Eine dauerhafte polare Ordnung im gesamten Kristall ist dafür nicht nötig. Auch der Temperaturverlauf passt zu diesem Bild: In der geordneten Tieftemperaturphase veränderte sich der Photostrom über einen weiten Bereich kaum und stieg erst Richtung Raumtemperatur. Die Autor:innen führen das auf thermisch aktivierte, vorübergehende polare Konfigurationen der Kupferionen zurück. Direkt abgebildet haben sie diese Cluster bisher nicht.

Atombewegung als Designfaktor

In optoelektronischen Materialien gilt thermische Bewegung meist als Störquelle. Sasagawa schlägt vor, sie gezielt zu nutzen. Dynamische Fluktuationen könnten die photoelektrische Umwandlung verstärken, besonders in Systemen mit leicht beweglichen Ionen und mehreren energetisch ähnlichen polaren Zuständen. Als mögliche Anwendungen nennt das Team Photovoltaik der nächsten Generation, selbstversorgte optoelektronische Bauelemente und Energiegewinnung auf Basis von van-der-Waals-Materialien.

Bis zu einer leistungsfähigen Solarzelle bleibt der Weg weit. Bisher haben die Forscher:innen vor allem den Strom innerhalb der Kristallebene untersucht. Interessante Effekte erwarten sie auch senkrecht zu den Schichten, wofür andere Elektrodengeometrien nötig sind. Außerdem wollen sie klären, wie atomare Fluktuationen mikroskopisch an den Photostrom koppeln.

via Advanced Functional Materials

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