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.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.