idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Grafik: idw-Logo

idw - Informationsdienst
Wissenschaft

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
11/16/2020 12:00

Solarenergie: Cäsium-basierte anorganische Halogenid-Perowskite kartiert

Dr. Ina Helms Kommunikation
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

    Forscherinnen und Forscher am HZB haben verschiedene Zusammensetzungen von Cäsium-basierten Halogenidperowskiten (CsPb(BrxI1-x)3 (0 ≤ x ≤ 1)) 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 (Pb), und das X ist ein Element aus der Gruppe der Halogene wie Brom oder Iod. Derzeit erreichen einige Perowskit-Verbindungen Wirkungsgrade über 25 %. 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 (MA) 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 Zusammensetzungen von CsPb(BrxI1-x)3 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 Forscherinnen und Forscher ein neu entwickeltes Verfahren zum Drucken kombinatorischer Perowskit-Dünnschichten, um systematische Variationen von CsPb(BrxI1-x)3-Dünnschichten auf einem Substrat zu erzeugen. Dazu wurden zwei Druckköpfe entweder mit CsPbBr2I oder CsPbI3 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, wurde 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 Dr. 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 Dr. Eva Unger, die die Nachwuchsgruppe Hybridmaterialbildung und Skalierung leitet. Dr. 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".


    Contact for scientific information:

    Hampus Näsström
    E-Mail: hampus.naesstroem@helmholtz-berlin.de

    Dr. Roland Mainz
    E-Mail: roland.mainz@helmholtz-berlin.de

    Dr. Eva Unger
    E-Mail: eva.unger@helmholtz-berlin.de

    Dr. Thomas Unold
    E-Mail: unold@helmholtz-berlin.de


    Original publication:

    DOI: 10.1039/D0TA08067E


    More information:

    https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=22328;sprache=de;seitenid=...


    Images

    Neun Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung: von reinem CsPbBr2I (Tinte 1, links) bis zu reinem CsPbI3 (Tinte 2 rechts). Alle Proben werden im HySPRINT-Labor am HZB hergestellt.
    Neun Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung: von reinem CsPbBr2I (Tinte 1, links) bis zu reine ...
    H. Näsström
    HZB/H. Näsström


    Criteria of this press release:
    Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
    Chemistry, Energy, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).