Neue Einblicke in die Struktur von organisch-anorganischen Hybrid-Perowskiten
Das Video zeigt die Veränderungen der Kristallstruktur zeigt. Grau: Pb, Braun: Br, Schwarz: C, Blau: N; Weiß: H © HZB
10.00 sIn 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.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.
- MXene als „Rahmen“ für zweidimensionale Wasserfilme zeigt neue EigenschaftenEin internationales Team unter Leitung von Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat MXene mit eingeschlossenem Wasser und Ionen an der BESSY II untersucht. Dabei ging das Wasser mit steigender Temperatur vom Zustand als lokalisierte Eiskluster in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Das Team entdeckte dabei, dass diese strukturellen Veränderungen des eingeschlossenen Wassers im MXene einen reversiblen Phasenübergang bewirken: vom Metall zum Halbleiter. Dies könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente oder Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.
- Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziertMit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.