Gedruckte LEDs dank Perowskit

Die Mikroelektronik ist geprägt durch verschiedene funktionelle Materialien, deren Eigenschaften sie für bestimmte Anwendungen auszeichnen. So werden Transistoren und Daten­speicher aus Silizium gefertigt, und auch die meisten photo­voltaischen Zellen für die Strom­gewinnung aus Sonnenlicht bestehen aus diesem Halbleiter­material. Um Licht in opto­elektronischen Elementen wie Leuchtdioden (LEDs) zu erzeugen, kommen hingegen Verbindungs­halbleiter wie Gallium­nitrid zum Einsatz. Je nach Materialklasse unterscheiden sich zudem die Herstellungs­verfahren. 
 

Eine Vereinfachung versprechen hybride Perowskit-Materialien – halbleitende Kristalle, deren organische und anorganische Bestandteile in einer bestimmten Kristallstruktur angeordnet sind. „Je nach Zusammensetzung lassen sich daraus alle Arten von mikroelektronischen Bauelementen fertigen“, sagt Emil List-Kratochvil, Leiter einer gemeinsamen Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität. Hinzu kommt: Perowskit-Kristalle ermöglichen eine vergleichsweise simple Art der Verarbeitung. „Sie lassen sich aus einer flüssigen Lösung herstellen, damit kann man das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht direkt aus dem Substrat heraus aufbauen“, erklärt der Physiker. 

Dass sich Solarzellen aus einer Lösung solcher Halbleiter­verbindungen heraus drucken lassen, haben Wissenschaftler am HZB in den letzten Jahren bereits gezeigt – und sind heute bei dieser Technologie weltweit führend. Nun gelang es dem gemeinsamen Team von HZB und HU Berlin erstmals, auch funktions­fähige Leucht­dioden auf diese Weise herzustellen. Dazu verwendete die Forschergruppe einen Metall-Halogenid-Perowskit: ein Material, das eine besonders hohe Effizienz bei der Licht­erzeugung verspricht – das aber andererseits schwierig zu verarbeiten ist. 

„Bislang war es nicht möglich, solche Halbleiter­schichten aus einer flüssigen Lösung mit ausreichender Qualität zu erzeugen“, sagt List-Kratochvil. So ließen sich LEDs nur aus organischen Halbleitern drucken, die aber nur eine bescheidene Leuchtkraft liefern. „Die Herausforderung war es, die salzartige Vorstufe, die wir mit dem Drucker auf das Substrat aufbrachten, mit einer Art Lockmittel dazu zu bewegen, rasch und gleichmäßig zu kristallisieren“, erklärt der Wissenschaftler. Das Team wählte dafür einen „Impfkristall“: ein beigefügtes Salz, das sich auf dem Substrat anheftet und wie ein Gerüst für das Wachstum der Perowskit-Struktur dient.

So schufen die Forscher gedruckte LEDs mit einer weit höheren Leuchtkraft und deutlich besseren elektrischen Eigenschaften, als sie bislang mit additiven Fertigungs­verfahren erreichbar waren. Doch für Emil List-Kratochvil ist dieser Erfolg nur ein Zwischen­schritt auf dem Weg zu einer künftigen Mikro- und Optoelektronik, die seiner Meinung nach ausschließlich auf hybriden Perowskit-Halbleitern basiert. „Die Vorteile, die eine universell einsetzbare Klasse von Materialien bietet, aus der sich beliebige Bauteile mit einem einzigen einfachen und kosten­günstigen Verfahren fertigen lassen, sind bestechend“, meint der Wissenschaftler. In dem Berliner Labor von HZB und HU will er daher nach und nach alle relevanten elektronischen Bauelemente auf diese Weise herstellen. 

HZB / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Hermerschmidt et al.: Finally, inkjet-printed metal halide perovskite LEDs – utilizing seed crystal templating of salty PEDOT:PSS, Mater. Horizons, online 27. Mai 2020; DOI: 10.1039/d0mh00512f
• Generative manufacturing processes for hybrid components (E. List-Kratochvil), Helmholtz Zentrum für Energie und Materialien, Berlin