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.
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.