Die Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben beobachtet, dass Elektronen beim Stromtransport in bestimmten Materialstrukturen ausgerichtet sind. Mit diesem Ergebnis könnten künftig Prozesse vermieden werden, die etwa in Solarzellen zu Energieverlusten führen, hieß es am Montag. Gleichzeitig würde diese Beobachtung maßgeblich dazu beitragen, das Verständnis für die grundsätzlichen mikroskopischen Prozesse in Solarzellen der nächsten Generation zu erhöhen. Dies zielt speziell auf die Perowskite-Technologie ab. Die Wissenschaftler hätten aktiv nach Materialien gesucht, in denen eine solche Ausrichtung der Elektroden stattfindet. So könnte dies in organisch-anorganischen Halbleitern mit Perowskite-Struktur der Fall sein, hieß es weiter. Dort würden die Kristalle, die anorganischen Komponenten mit den organischen Molekülen kombinieren sowie die wünschenswerten Eigenschaften beider Materialklassen kombinieren.
Bewegt sich ein Elektron durch organisch-anorganische Perowskit-Halbleiter, so zeigt sein Spin wie eine Magnetnadel stets senkrecht zur Bewegungsrichtung (gelb) und zu elektrischen Feldern (schwarz). Quelle: FAU/Daniel Niesner
Elektroden transportierten elektrische Ladung, heißt es zu den wissenschaftlichen Hintergründen. Neben ihrer Ladung tragen sie demnach auch einen Spin, der das Elektron zu einem winzigen Magneten macht. In den meisten Materialien könne dieser Magnet beliebig zur Bewegungsrichtung des Elektrons orientiert sein. Nur unter Ausnutzung ganz bestimmter Effekte lasse sich der Spin ausrichten. Dies sei nun in einem Experiment erstmals direkt nachgewiesen worden. Es handele sich dabei um den bislang stärksten Beleg des sogenannten Raschba-Effekts, bei dem der Spin des Elektrons wie eine Magnetnadel stets senkrecht zu den elektrischen Feldern zeige, die durch Verzerrungen im Material erzeugt würden.
Die Ergebnisse liefern einerseits eine Grundlage für die Erklärung und Optimierung der bisher nur teilweise verstandenen hohen Effizienz von Solarzellen und Lasern aus organisch-anorganischen Perowskit-Halbleitern, wie es weiter hieß. Mit der Ausrichtung des Spins würden Stöße der Elektronen mit dem Gitter und mit anderen Elektronen reduziert, wodurch weniger Wärmeverluste zu verzeichnen seien. Die Erkenntnisse des Lehrstuhls für Festkörperphysik, des i-Meet am Department für Materialwissenschaften der FAU und des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung seien nun im Fachmagazin „Physical Review Letters“ veröffentlicht worden. (Sandra Enkhardt)
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