Technologie

Anorganische Perowskite mit großem Potenzial

14.12.2020 - Dank neuer Methode lässt sich Vielzahl von Materialien effizient untersuchen.

Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben verschiedene Zusammen­setzungen von Cäsium-basierten Halogenid­perowskiten gedruckt und untersucht. In einem Temperatur­bereich zwischen Raum­temperatur und 300 Celsius beobachten sie strukturelle Phasen­übergänge, die die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die Studie bietet eine schnelle und einfache Methode zur Bewertung neuer Zusammensetzungen von Perowskit­materialien, um Kandidaten für Anwendungen in Dünnschicht­solarzellen und opto­elektronischen Bauelementen zu identifizieren.
 

Hybridhalogenid­perowskite (ABX3) haben sich in nur wenigen Jahren als hocheffiziente neue Materialien für Dünnschicht­solarzellen durchgesetzt. Das A steht für ein Kation, entweder ein organisches Molekül oder ein Alkalimetall, das B ist ein Metall, meistens Blei, und das X ist ein Element aus der Gruppe der Halogene wie Brom oder Iod. Derzeit erreichen einige Perowskit-Verbindungen Wirkungsgrade über 25 Prozent. Darüber hinaus können die meisten Perowskit-Dünnschichten bei moderaten Temperaturen aus einer Lösung hergestellt werden, was sehr wirtschaftlich ist.

Weltrekord­wirkungsgrade wurden von organischen Molekülen wie Methylammonium als A-Kation mit Blei und Jod oder Bromid an den anderen Standorten erreicht. Aber diese organischen Perowskite sind noch nicht sehr stabil. Anorganische Perowskite mit Cäsium am A-Standort versprechen höhere Stabilitäten: Allerdings sind einfache Verbindungen wie CsPbI3 oder CsPbBr3 entweder auch nicht sehr stabil oder bieten nicht die elektronischen Eigenschaften, die für Anwendungen in Solarzellen oder anderen opto­elektronischen Geräten benötigt werden.

Nun hat ein Team am HZB komplexere Zusammen­setzungen untersucht, die optische Bandlücken zwischen 1,73 und 2,37 eV bieten. Das macht diese Mischungen interessant für Anwendungen als Tandem-Bauelemente. Für die Herstellung verwendeten die Forscher ein neu entwickeltes Verfahren zum Drucken kombinatorischer Perowskit-Dünnschichten, um systematische Variationen dieser Dünnschichten auf einem Substrat zu erzeugen. Dazu wurden zwei Druckköpfe gefüllt und der Drucker programmiert, um aus jedem Druckkopf eine jeweils exakt bemessene Anzahl von Flüssigkeitströpfchen auf das Substrat zu drucken. Dadurch entstanden dünne Schichten der Proben mit der gewünschten Zusammen­setzung, die im Anschluss noch weiteren Behandlungen unterzogen wurde.

Mit einer speziellen Hoch­intensitäts-Röntgenquelle, dem Liquid-Metaljet im LIMAX-Labor des HZB, haben die Forscher die kristalline Struktur der Perowskit-Dünnschichten bei verschiedenen Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 300 Celsius analysiert. „Wir fanden, dass sich alle Zusammen­setzungen bei hoher Temperatur in eine kubische Perowskit-Phase umwandeln“, erklärt Hampus Näsström, Doktorand und Erstautor der Publikation. Erst beim Abkühlen gehen alle Proben in metastabile tetragonal und orthorhombisch verzerrte Perowskit­phasen über, die sie für photovoltaische Anwendungen geeignet machen. „Dies hat sich als idealer Anwendungs­fall der in-situ-Röntgen­struktur­analyse mit der laborgestützten hochbrillanten Röntgenquelle erwiesen“, fügt Roland Mainz, Leiter des LIMAX-Labors, hinzu.

Da sich herausgestellt hat, dass die Übergangs­temperaturen in die gewünschten Phasen mit steigendem Bromgehalt abnehmen, wäre es möglich, die Verarbeitungs­temperaturen für anorganische Perowskit-Solarzellen weiter zu senken.

„Das Interesse an dieser neuen Klasse von Solarmaterialien ist enorm, und die möglichen Variationen in der Zusammensetzung sind nahezu unendlich. Diese Arbeit zeigt, wie ein breites Spektrum von Variationen systematisch hergestellt und bewertet werden kann“, sagt Eva Unger, die die Nachwuchs­gruppe Hybrid­material­bildung und Skalierung leitet. Thomas Unold, Leiter der Gruppe Kombinatorische Energie-Materialforschung, stimmt dem zu: „Dies ist ein Paradebeispiel dafür, wie Hoch­durchsatz­ansätze in der Forschung die Entdeckung und Optimierung von Materialien in der zukünftigen Forschung enorm beschleunigen könnten".

HZB / DE
 

Weitere Infos

LINOS Microbench Webinar on September 15, 2021

Skillful Use of the Original 30 mm Optical Cage System

More information

High Tec - Jobbörse vom 27.-30.09.2021

Die innovativen Unternehmen Exyte, HERAEUS, TRUMPF und ZEISS präsentieren Karriere- und Beschäftigungs- möglichkeiten in ihren Berufsfeldern. Sie richten sich an Physiker:innen und Studierende in MINT-Fächern, an Young Professionals und an Berufserfahrene.

Jetzt kostenfrei anmelden

LINOS Microbench Webinar on September 15, 2021

Skillful Use of the Original 30 mm Optical Cage System

More information

High Tec - Jobbörse vom 27.-30.09.2021

Die innovativen Unternehmen Exyte, HERAEUS, TRUMPF und ZEISS präsentieren Karriere- und Beschäftigungs- möglichkeiten in ihren Berufsfeldern. Sie richten sich an Physiker:innen und Studierende in MINT-Fächern, an Young Professionals und an Berufserfahrene.

Jetzt kostenfrei anmelden