Neue Einblicke in die Struktur von organisch-anorganischen Hybrid-Perowskiten

In der Photovoltaik haben organisch-anorganische Hybrid-Perowskite eine rasante Karriere gemacht. Doch viele Fragen zur kristallinen Struktur dieser überraschend komplexen Materialklasse sind ungeklärt. Nun hat ein Team am HZB mit einer vierdimensionalen Modellierung Strukturdaten von Methylammonium-Bleibromid (MAPbBr₃) interpretiert und dabei inkommensurable Überstrukturen und Modulationen der vorherrschenden Struktur identifiziert. Die Studie ist im ACS Journal of Physical Chemistry Letters publiziert und wurde von den Herausgebern als Editor’s Choice ausgewählt.

Organisch-anorganische Hybrid-Perowskite werden seit rund zehn Jahren intensiv für den Einsatz in Solarzellen untersucht. Dünnschichten aus solchen Perowskiten sind preiswert und erreichen schon jetzt hohe Wirkungsgrade. Außerdem lassen sie sich perfekt mit gängigen Solarzellmaterialien wie Silizium zu Tandemzellen kombinieren. Anfang 2020 konnte ein HZB-Team mit einer Tandemzelle aus Perowskit und Silizium einen Weltrekordwirkungsgrad von 29,15 % erreichen.

Doch trotz intensivster Forschung ist es bislang auch bei den bekanntesten Perowskit-Verbindungen wie Methylammonium- und Formamidinium-Bleihalogenid nicht gelungen, die Kristallstrukturen mit ihren vielfältigen Modulationen und Überstrukturen in Abhängigkeit von der Temperatur genau aufzuklären.  

Nun hat ein Team am HZB Strukturdaten von Methylammonium-Bleibromid (MAPbBr₃) mit einem neuartigen Modell analysiert. Postdoc Dr. Dennis Wiedemann hat dafür ein Modell verwendet, welches zusätzlich zu den drei Raumdimensionen eine vierte Dimension berücksichtigt. Die Strukturdaten wurden bei einer Temperatur von 150 Kelvin an der University of Columbia gemessen.

„Das Problem in diesen hybriden Perowskiten ist die Tatsache, dass sich die verschiedenen Modifikationen energetisch nicht deutlich unterscheiden, so dass bereits kleinere Temperaturdifferenzen ausreichen, um Phasenübergänge anzustoßen“, erläutert Dr. Joachim Breternitz, Ko-Autor der Studie. Die Daten zur Kristallstruktur zeigen daher einen Mittelwert über viele Elementarzellen, sodass Modulationen und Überstrukturen nicht immer erkennbar sind. Das neue Modell erklärt die inkommensurablen Überstrukturen, die bei MAPbBr₃ in einem kleinen Temperaturfenster um 150 K beobachtet werden, und die nicht die gleiche Periodizität wie das Kristallgitter besitzen. Diese komplexe Struktur kommt durch Verkippungen und Verschiebungen in der Kristallstruktur zu Stande. „Das neue Modell wird auch genauere Einblicke in die modulierten Strukturen anderer Perowskit-Verbindungen ermöglichen“, sagt Breternitz.