Forskare vid HZB har skrivit ut och utforskat olika sammansättningar av cesiumbaserade halogenidperovskiter (CsPb(Br) _x jag _1−x ) ₃ (0 ≤ x ≤ 1)). I ett temperaturintervall mellan rumstemperatur och 300 Celsius, de observerar strukturella fasövergångar som påverkar de elektroniska egenskaperna. Studien ger en snabb och enkel metod för att bedöma nya sammansättningar av perovskitmaterial för att identifiera kandidater för tillämpningar i tunnfilmssolceller och optoelektroniska enheter.

Hybridhalogenidperovskiter (ABX3) har vuxit upp på bara några år som högeffektiva nya material för tunnfilmssolceller. A:et står för en katjon, antingen en organisk molekyl eller någon alkalimetall, B är en metall, oftast bly (Pb) och X är ett halogenidelement såsom bromid eller jodid. För närvarande uppnår vissa kompositioner effektomvandlingseffektiviteter över 25 %. Vad är mer, de flesta tunna perovskitfilmer kan lätt bearbetas från lösning vid måttliga bearbetningstemperaturer, vilket är väldigt ekonomiskt.

Världsrekord effektivitet har uppnåtts av organiska molekyler som metylammonium (MA) som A-katjonen och Pb och jod eller bromid på andra platser. Men de där organiska perovskiterna är ännu inte särskilt stabila. Oorganiska perovskiter med cesium på A-stället lovar högre stabilitet, men enkla föreningar såsom CsPbI ₃ eller CsPbBr ₃ är antingen inte särskilt stabila eller ger inte de elektroniska egenskaper som behövs för tillämpningar i solceller eller andra optoelektroniska enheter.

Nu, ett team på HZB utforskade kompositioner av CsPb(Br _x jag _1-x )3, som ger avstämbara optiska bandgap mellan 1,73 och 2,37 eV. Detta gör dessa blandningar riktigt intressanta för solcellstillämpningar med flera korsningar, särskilt för tandemanordningar.

För produktionen använde de en nyutvecklad metod för att skriva ut kombinatoriska perovskittunna filmer för att producera systematiska variationer av (CsPb(BrxI) _1-x ) ₃ tunna filmer på ett substrat. För att uppnå detta, två skrivhuvuden fylldes med antingen CsPbBr ₂ I eller CsPbI ₃ och sedan programmerad att trycka den erforderliga mängden vätskedroppar på substratet för att bilda en tunn film av den önskade kompositionen. Efter glödgning vid 100 Celsius för att driva ut lösningsmedlet och kristallisera provet, de fick tunna ränder med olika sammansättning (visas på bilden).

Med en speciell högintensiv röntgenkälla, den flytande metallstrålen i LIMAX-labbet på HZB, den kristallina strukturen hos den tunna filmen analyserades vid olika temperaturer, från rumstemperatur upp till 300 Celsius. "Vi finner att alla undersökta kompositioner omvandlas till en kubisk perovskitfas vid hög temperatur, " Hampus Näsström, Ph.D. student och första författare till publikationen förklarar. Efter att ha svalnat, alla prover övergår till metastabila tetragonala och ortorhombiska förvrängda perovskitfaser, vilket gör dem lämpliga för solcellsapparater. "Detta har visat sig vara ett idealiskt användningsfall av in-situ XRD med den labbbaserade röntgenkällan med hög briljans, "Roland Mainz, chef för LIMAX-laboratoriet, lägger till.

Eftersom övergångstemperaturerna till de önskade faserna visar sig minska med ökande bromidhalt, detta skulle göra det möjligt att sänka bearbetningstemperaturerna för oorganiska perovskitsolceller.

"Intresset för denna nya klass av solmaterial är enormt, och de möjliga kompositionsvariationerna nästan oändliga. Detta arbete visar hur man producerar och bedömer systematiskt ett brett spektrum av kompositioner, säger Dr Eva Unger, som leder Young Investigator Group Hybrid Materials Formation and Scaling. Dr Thomas Unold, chefen för forskningsgruppen för kombinatoriska energimaterial instämmer och föreslår att "detta är ett utmärkt exempel på hur högeffektiva tillvägagångssätt inom forskning kan avsevärt påskynda upptäckt och optimering av material i framtida forskning."