Wetenschappers van HZB hebben verschillende samenstellingen van op cesium gebaseerde halide perovskieten (CsPb(Br _x l _1−x ) ₃ (0 x ≤ 1)). In een temperatuurbereik tussen kamertemperatuur en 300 Celsius, ze observeren structurele faseovergangen die de elektronische eigenschappen beïnvloeden. De studie biedt een snelle en gemakkelijke methode om nieuwe samenstellingen van perovskietmaterialen te beoordelen om kandidaten te identificeren voor toepassingen in dunnefilmzonnecellen en opto-elektronische apparaten.

Hybride halide perovskieten (ABX3) zijn in slechts een paar jaar tijd opgekomen als zeer efficiënte nieuwe materialen voor dunne film zonnecellen. De A staat voor een kation, ofwel een organisch molecuul of een alkalimetaal, de B is een metaal, meestal Lood (Pb) en de X is een halogenide-element zoals bromide of jodide. Momenteel behalen sommige composities een stroomconversie-efficiëntie van meer dan 25%. Wat is meer, de meeste perovskiet-dunne films kunnen gemakkelijk uit oplossing worden verwerkt bij gematigde verwerkingstemperaturen, wat erg economisch is.

Wereldrecordrendementen zijn bereikt door organische moleculen zoals methylammonium (MA) als het A-kation en Pb en jodium of bromide op de andere locaties. Maar die organische perovskieten zijn nog niet erg stabiel. Anorganische perovskieten met cesium op de A-plaats beloven hogere stabiliteiten, maar eenvoudige verbindingen zoals CsPbI ₃ of CsPbBr ₃ zijn ofwel niet erg stabiel of bieden niet de elektronische eigenschappen die nodig zijn voor toepassingen in zonnecellen of andere opto-elektronische apparaten.

Nutsvoorzieningen, een team van de HZB heeft wel composities van CsPb(Br _x l _1-x )3, die afstembare optische bandhiaten tussen 1,73 en 2,37 eV bieden. Dit maakt deze mengsels echt interessant voor multi-junction zonneceltoepassingen, in het bijzonder voor tandemapparaten.

Voor de productie gebruikten ze een nieuw ontwikkelde methode voor het printen van combinatorische dunne films van perovskiet om systematische variaties te produceren van (CsPb(BrxI _1-x ) ₃ dunne films op een substraat. Om dit te behalen, twee printkoppen zijn gevuld met ofwel CsPbBr ₂ I of CsPbI ₃ en vervolgens geprogrammeerd om de vereiste hoeveelheid vloeistofdruppels op het substraat af te drukken om een ​​dunne film van de gewenste samenstelling te vormen. Na gloeien bij 100 Celsius om het oplosmiddel te verdrijven en het monster te kristalliseren, ze kregen dunne strepen met verschillende composities (getoond op de afbeelding).

Met een speciale röntgenbron met hoge intensiteit, de vloeibare metalen jet in het LIMAX-lab bij HZB, de kristallijne structuur van de dunne film werd geanalyseerd bij verschillende temperaturen, variërend van kamertemperatuur tot 300 Celsius. "We vinden dat alle onderzochte samenstellingen bij hoge temperatuur worden omgezet in een kubische perovskietfase, " Hampus Nasström, doctoraat student en eerste auteur van de publicatie legt uit. Bij afkoeling, alle monsters gaan over in metastabiele tetragonale en orthorhombische vervormde perovskietfasen, waardoor ze geschikt zijn voor zonnecelapparaten. "Dit is een ideaal gebruiksgeval gebleken van in-situ XRD met de op het laboratorium gebaseerde, zeer briljante röntgenbron, "Roland Mainz, hoofd van het LIMAX laboratorium, voegt toe.

Aangezien de overgangstemperaturen naar de gewenste fasen afnemen met toenemend bromidegehalte, dit zou het mogelijk maken om de verwerkingstemperaturen voor anorganische perovskiet-zonnecellen te verlagen.

"De interesse in deze nieuwe klasse van zonnematerialen is enorm, en de mogelijke samenstellingsvariaties bijna oneindig. Dit werk laat zien hoe je een breed scala aan composities systematisch kunt produceren en beoordelen. " zegt dr. Eva Unger, die aan het hoofd staat van de Young Investigator Group Hybrid Materials Formation and Scaling. Dr. Thomas Unold, hoofd van de Combinatorial Energy Materials Research-groep is het daarmee eens en suggereert dat "dit een goed voorbeeld is van hoe high-throughput-benaderingen in onderzoek de ontdekking en optimalisatie van materialen in toekomstig onderzoek enorm kunnen versnellen."