Ein Forscherteam der Duke University hat eine entwickelt effiziente Methode zur Herstellung hybrider Dünnschichtmaterialien, was bei der Entwicklung von Solarzellen, Leuchtdioden, Fotodetektoren und optoelektronischen Geräten hilfreich sein könnte.

Die Forscher behaupten, dass diese Methode, die Perowskite verwendet, die Herstellung von Solarmaterialien ermöglicht, „die sonst nur schwer oder gar nicht herzustellen wären“.

Perowskite sind eine Klasse von Materialien, die, wenn sie mit den richtigen Elementen gemischt werden, eine kristalline Struktur aufweisen, die sie für die Solarenergieforschung sehr attraktiv macht. Die Beliebtheit des Materials beruht vor allem auf seiner Fähigkeit, Licht zu absorbieren und seine Energie zu übertragen.

Die vollständige Forschungsarbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Energie Briefe.

Für ihre Forschung arbeiteten die Wissenschaftler mit Methylammoniumbleiodid (MAPbl3), dem heute in der Solarenergie am häufigsten verwendeten Perowskit. MAPbl3 wandelt Lichtenergie nachweislich genauso effizient um wie die führenden Solarmodule und verbraucht viel weniger Material.

MAPbl3 wurde unter Verwendung branchenüblicher Produktionstechniken hergestellt, hatte jedoch Probleme mit der Haltbarkeit und lässt sich nur schwer in Form oder Größe ändern.

In dieser Forschung versuchten Wissenschaftler, einen Weg zu finden, die Herstellungsmethoden von Perowskiten zu revolutionieren und empfindliche organische und anorganische Verbindungen effektiv in einer komplexen kristallinen Struktur zu mischen, um sie in der Solarenergie und Optoelektronik besser anwendbar zu machen.

Bei der neuen Technik namens „Resonant Infrarot Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation“ (RIP-MAPLE) wird eine Lösung, die alle notwendigen Moleküle zur Bildung des Perowskits enthält, eingefroren, das gefrorene Material in eine Vakuumkammer gegeben und mit einem Strahl bestrahlt Laser.

Der Laser verdampft effektiv das gefrorene Material, das dann nach oben schwimmt und einen darüber hängenden Gegenstand bedeckt. Wenn das Material an der Oberfläche gesammelt wird, wird es mit Hitze gestrahlt. Anschließend beginnen die Materialien zu kristallisieren und einen dünnen Film zu bilden.

„Die Matrix-unterstützte gepulste Laserverdampfung ist eine schonende Technik für die Dünnschichtabscheidung organischer und hybrider Materialien“, sagte er Adrienne Stiff-Roberts, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Duke. „Durch die Verwendung eines Niedrigenergie-Infrarotlasers nur zum Verdampfen einer Lösungsmittelmatrix wird die Absorption der Laserenergie vollständig vom in der Matrix gelösten Zielmaterial entkoppelt. Dadurch können thermisch empfindliche organische Moleküle schadlos abgeschieden und in komplexe Strukturen eingebaut werden.“

Diese neue Methode sei viel effizienter als herkömmliche Lasertechniken der Industrie, da sie nur einen kleinen Teil der organischen Materialien benötige, um das gleiche Endprodukt zu erhalten, sagte Stiff-Roberts in einer Erklärung.

Derzeit gibt es keine Perowskit-basierten Solarzellen auf dem Markt, aber das wird sich in den kommenden Jahren ändern, da viele Unternehmen an der Idee interessiert sind.

Die Forscher haben jedoch noch weitere Ziele für ihre Entwicklung.

„Mit dieser Demonstration der RIP-MAPLE-Technologie hoffen wir, der Solarzellenindustrie eine völlig neue Materialwelt zu eröffnen.“ David Mitzi, sagte der Simon Family-Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke in einer Erklärung. „Wir glauben auch, dass diese Materialien für andere Anwendungen nützlich sein könnten, beispielsweise für Leuchtdioden, Fotodetektoren und Röntgendetektoren.“

Stiff-Roberts sagte, dass dieser Prozess auf jedem Substratmaterial funktioniert, also vielseitig ist und für eine breite Palette von Materialsystemen funktioniert.

„Die nächsten Schritte dieser Forschung bestehen darin, die Bildung von Hybrid-Perowskit-Kristallen während der RIP-MAPLE-Abscheidung besser zu verstehen und die Materialeigenschaften von Hybrid-Perowskiten zu charakterisieren, die komplexere organische Moleküle umfassen“, sagte Stiff-Roberts.

„Das angestrebte Ziel besteht darin, die MAPLE-Abscheidung zu nutzen, um Hybridperowskiten zu einer neuen Halbleitertechnologie für optoelektronische Geräte zu reifen“, fuhr sie fort.