Perowskit-Solarzellen: Einsichten in die Frühstadien der Strukturbildung
Mit Kleinwinkelstreuung gelang es nun frühe Vorstufen der Strukturbildung in Vorläuferlösungen von Perowskitsolarzellen nachzuweisen.
© M. Flatken/HZB
Mit der Methode der Kleinwinkelstreuung an der PTB-Röntgen-Beamline von BESSY II konnte ein HZB-Team experimentell die kolloidale Chemie von Perowskit-Vorläuferlösungen für Solarzellen untersuchen. Die Ergebnisse sind hilfreich, um Herstellungsverfahren und Qualität dieser spannenden Halbleitermaterialien gezielt und systematisch zu optimieren.
Halogenid-Perowskit-Halbleiter sind günstige, variable und leistungsstarke Materialien, die sowohl in Solarzellen, als auch als optoelektronische Bauelemente Verwendung finden. Die hierzu benötigten kristallinen Perowskit-Dünnschichten werden bei niedriger Temperatur aus einer Vorläuferlösung hergestellt: Während das Lösemittel durch Tempern verdampft, interagiert mit Jod koordiniertes Blei mit Methylammonium und bildet schließlich die polykristalline Dünnschicht. Die Qualität dieser Dünnschicht entscheidet über die Leistungsfähigkeit des Halbleitermaterials. Bislang ist es nicht möglich, diesen Prozess der Kristallisation perfekt zu kontrollieren.
Wie verläuft der Prozess der Kristallisation?
Nun hat ein HZB-Team um Prof. Antonio Abate mit der Methode der Kleinwinkelstreuung experimentell ermittelt, wie sich die anfänglich ungeordneten Elemente in der Vorläuferlösung bereits zu ersten Clustern finden und somit eine anfängliche „vorkristalline“ Anordnung zur weiteren Umsetzung zu Perowskit-Dünnschichten darstellen.
Die Auswertung zeigt, dass sich zunächst Gruppen aus Blei und Iod formieren, so genannte Iodoplumbate, in denen sich ein Blei-Atom oktaedrisch mit sechs Jodatomen umgibt. Diese Untergruppen bilden im weiteren Verlauf ein dynamisches kolloidales Netzwerk, in das sich das organische Methylammonium einordnet, aus denen sich die bekannte Perowskit-Struktur ableitet.
„Während wir mit herkömmlichen Methoden bisher nur stark verdünnte Lösungen messen konnten, war es mit dem ASAXS-Instrument des HZB an der FCM-Beamline der PTB an BESSY II möglich, die Lösungen in der Konzentration zu untersuchen, die wir auch für die Herstellung von Dünnfilmen benötigen“, betont Marion Flatken, die die Messungen im Rahmen ihrer Promotion durchgeführt hat.
Kleinwinkelstreuung zeigt Clusterbildung
„Kleinwinkelstreuung ist optimal für die Messung von Nanopartikeln und Substrukturen in Lösungen geeignet“, erklärt Dr. Armin Hoell, Experte für die Methode der Kleinwinkelstreuung und ein korrespondierender Autor der Studie. „Die Messdaten zeigen deutlich die Ausbildung von zunächst nanometergroßen Clustern, die von der Dimension gut zur den PbI6-Oktaeder passen und die sich konzentrationsabhängig organisieren. Die Messungen sind zudem sehr gut reproduzierbar.“
Die vorgestellte Technik und Ergebnisse können dazu beitragen, die Herstellungsverfahren weiter zu optimieren und die Qualität solcher Perowskit-Dünnschichten bei der Herstellung besser und systematischer zu kontrollieren.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- 83 Schülerinnen beim Girls'Day am HZBAm 23. April 2026 fand der jährliche Girl's Day statt, bei dem Schülerinnen Einblicke in verschiedene Berufe im Bereich der Naturwissenschaften, Technik und IT erhielten. 83 Schülerinnen besuchten die HZB-Standorte Adlershof und Wannsee und erlebten einen Tag voller spannender Experimente.