Technologie

Optimierte Perowskite

15.10.2020 - Halid-Perowskite zeigen Zwillingsbildung beim Kristallisationsprozess.

Solarzellen auf Basis von hybriden Halid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade. Diese gemischt organisch-anorganischen Halb­leiter werden in der Regel als dünne Filme aus Mikro­kristallen produziert. Eine Untersuchung mit der Laue-Kamera an der Neutronen­quelle BER II konnte nun aufklären, dass es beim Auskristallisieren auch bei Raum­temperatur zur Zwillings­bildung kommt. Dieser Einblick ist hilfreich, um Herstellungsverfahren von Halid-Perowskiten zu optimieren.

 

Vor gut zehn Jahren entdeckten Forscherteams die Klasse der halborganischen Halid-Perowskite, die nun als neue Materialien für Solar­zellen eine rasante Karriere machen. Die gemischt organisch-anorganischen Halbleiter erreichten innerhalb weniger Jahre Wirkungs­grade von über 25 Prozent.

Ihren Namen haben sie von ihrer Grundstruktur, die der des Minerals Perowskit sehr ähnlich ist, aber andere Bausteine enthält: Halid Anionen, Blei Kationen und organische molekulare Kationen.

Im Fall der wichtigsten Verbindung der Klasse, Methyl­ammonium­bleiiodid (MAPI), die auch hier untersucht wurde, handelt es sich bei den molekularen Kationen um Methyl­ammonium-Kationen und bei den Anionen um Iodid-Anionen. Obwohl allein 2019 mehr als 4000 Publikationen zu Halid-Perowskiten erschienen sind, ist es bislang nicht gelungen, ihre Struktur restlos zu verstehen. Man dachte, dass dies im Falle von MAPI unter anderem daran liegt, dass sie als polykristalline Filme bei erhöhter Temperatur hergestellt werden und es beim Abkühlen auf Raum­temperatur zu Zwillings­bildung kommt.

Die Zwillingsbildung ist komplex und kann die Material­eigenschaften deutlich verändern. Daher ist es spannend, diesen Prozess näher zu untersuchen. „Wir haben nun MAPI bei Raum­temperatur auskristallisiert und mit der Laue-Kamera Falcon am BER II die so entstandenen Kristalle analysiert“, sagt Joachim Breternitz, HZB.

Zusammen mit seinen Kollegen Susan Schorr und Michael Tovar konnte er aus den Daten ermitteln, dass auch bei Raum­temperatur gezüchtete Kristalle Zwillinge bilden. Das gibt einen neuen Einblick in den Kristallisations- und Wachstumsprozess von MAPI. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kristallisations­keime eine höhere Symmetrie aufweisen, als die die fertigen Kristalle, die als Bulk bezeichnet werden“, erläutert Breternitz.

Mit diesen Einblicken kann die Synthese der technologisch wichtigen Dünnschichten gezielt optimiert werden. Die Neutronen­quelle BER II hat bis zu ihrer planmäßigen Abschaltung im Dezember 2019 Neutronen für die Forschung bereitgestellt. „Das war eines unserer letzten Experimente an Falcon am BER II und ich hoffe, dass wir damit bis zum Schluss nützliche Beiträge leisten konnten“, sagt Breternitz.

HZB / DE

 

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