Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

Die Suche nach sauberer Energie konzentrierte sich lange Zeit auf Materialien, die in der Lage sind, Sonnenlicht einzufangen und es mit bemerkenswerter Effizienz in Elektrizität umzuwandeln. Zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören eine Familie von Kristallen, die als Perowskite bekannt sind und das Feld der Solarenergie vor kurzem revolutioniert haben. Diese Materialien basieren auf einer spezifischen Anordnung von Atomen, die es ihnen ermöglicht, Licht intensiv zu absorbieren und elektrische Ladungen schnell zu bewegen. Jahrelang hing die effektivste Version dieser Kristalle von Blei ab, einem Element, das sie außergewöhnlich gut performen lässt, aber auch ein ernstes Problem mit sich bringt: Blei ist giftig. Es stellt erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt dar, beeinflusst das Nervensystem sowie Organe und kann sich in Boden und Wasser anreichern. Dies schafft ein schwieriges Dilemma für Wissenschaftler: Wie bewahrt man die hohe Leistungsfähigkeit dieser Solarmaterialien, während man gleichzeitig das gefährliche Element entfernt, das sie gesundheitsschädlich macht?

In einer im August 2026 veröffentlichten Studie gingen die Forscher Hasan Abbas und Zishan H. Khan von der Jamia Millia Islamia in Indien dieser Herausforderung entgegen, indem sie den Standard-Blei-Kristall mit einer neuen, bleifreien Alternative verglichen. Sie setzten sich zum Ziel, im Labor zwei spezifische Materialien herzustellen: das bekannte Methylammonium-Bleijodid, das Blei enthält, und eine neue Verbindung namens Methylammonium-Wismutjodid, die das Blei durch Wismut ersetzt, ein wesentlich sichereres Element. Das Team mischte nicht einfach nur Chemikalien; sie züchteten sorgfältig dünne Schichten dieser Materialien auf Glasplatten und unterzogen sie anschließend einer Reihe von Tests, um zu sehen, wie sie aufgebaut sind und wie sie mit Licht interagieren. Ihr Ziel war es zu verstehen, ob die sicherere Wismut-Version die strukturelle Qualität und die Lichtabsorptionsfähigkeit der Blei-Version erreichen könnte oder ob sie in einer Weise zurückfallen würde, die ihre Verwendung in realen Solarmodulen verhindern könnte.

Die Forscher begannen mit der Synthese beider Materialien mittels einer Flüssigphasenmethode, einem Prozess, bei dem die Rohstoffe in einem Lösungsmittel gelöst und anschließend getrocknet werden, um einen festen Film zu bilden. Nachdem die Filme erstellt worden waren, untersuchten sie diese unter leistungsstarken Mikroskopen, um zu sehen, wie sie auf mikroskopischer Ebene beschaffen sind. Die Bilder zeigten, dass der bleifreie Wismut-Film außergewöhnlich glatt und dicht war und keine winzigen Löcher oder Lücken aufwies, die gelegentlich in der bleibasierten Version auftreten. Die Wismut-Kristalle bildeten zudem etwas größere Strukturen als ihre Bleikollegen. Als das Team die interne Anordnung der Atome mittels Röntgenbeugung untersuchte – einer Technik, die die Kristallstruktur offenlegt –, stellten sie fest, dass das Wismut-Material tatsächlich geordneter und gleichmäßiger war als das Blei-Material. Dieser höhere Grad an Ordnung deutete darauf hin, dass der bleifreie Film von sehr hoher Qualität war, potenziell sogar besser in Bezug auf seine physikalische Struktur als die traditionelle Blei-Version.

Als Nächstes widmete sich das Team der Frage, wie diese Materialien mit Licht umgehen, was der kritischste Faktor für eine Solarzelle ist. Sie bestrahlten die Proben mit Licht über ein breites Farbspektrum, von Ultraviolett bis Infrarot, um zu sehen, wie viel absorbiert wird und wie viel hindurchgelassen wird. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Materialien exzellent darin sind, Licht einzufangen, dies jedoch auf leicht unterschiedliche Weise tun. Das bleibasierte Material absorbierte Licht am stärksten bei einer Wellenlänge von 760 Nanometern, während das Wismut-Material bei 530 Nanometern seinen Höhepunkt erreichte. Die Blei-Version war in der Lage, einen breiteren Teil des sichtbaren Spektrums zu absorbieren, was ein entscheidender Vorteil für die Erzeugung von Elektrizität ist. Die Forscher berechneten auch, wie Licht durch die Materialien reist, und fanden heraus, dass der bleifreie Film gleichmäßiger war, mit weniger Imperfektionen, die das Licht streuen könnten. Diese Gleichmäßigkeit, kombiniert mit der glatten Oberfläche, die in den Mikroskopbildern zu sehen war, deutete darauf hin, dass das Wismut-Material eine sehr konsistente interne Struktur besitzt.

Der vielleicht bedeutendste Befund betraf die Energielücke, oder den spezifischen Betrag an Energie, der erforderlich ist, um ein Elektron zu befreien, damit es einen Strom tragen kann. Das bleibasierte Material hatte eine Energielücke von 1,65 Elektronenvolt, ein Wert, der sehr nah am theoretischen Ideal für eine einlagige Solarzelle liegt. Diese nahezu perfekte Übereinstimmung erklärt, warum bleibasierte Perowskite so erfolgreich bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie sind. Im Gegensatz dazu hatte das bleifreie Wismut-Material eine breitere Energielücke von 2,23 Elektronenvolt. Obwohl dieser Wert immer noch nützlich ist, bedeutet dies, dass das Material einen anderen Teil des Sonnenspektrums absorbiert und weniger effizient darin ist, das volle Spektrum des Sonnenlichts im Vergleich zur Blei-Version einzufangen. Die Studie untersuchte auch, wie die Materialien nach der Absorption von Licht emittieren, ein Prozess, der als Photolumineszenz bezeichnet wird. Das Blei-Material leuchtete bei einer Wellenlänge von 760 Nanometern, während das Wismut-Material bei 590 Nanometern leuchtete, was die Unterschiede in ihren Energielücken bestätigte.

Letztendlich zeichnet die Studie das Bild zweier Materialien mit unterschiedlichen Stärken. Der bleifreie Wismut-Perowskit erwies sich in vielerlei Hinsicht als strukturell überlegen, da er einen glatteren, gleichmäßigeren Film mit weniger Defekten als die Blei-Version bildet. Er ist zudem frei von der Toxizität, die Blei so gefährlich macht. Das bleibasierte Material behält jedoch einen entscheidenden Vorteil: Seine Energielücke liegt näher am Ideal für die Solarenergie, was es ihm ermöglicht, mehr Energie aus dem Sonnenlicht zu gewinnen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass, obwohl die bleifreie Option großes Potenzial zeigt und bessere morphologische Eigenschaften bietet, sie noch weitere Optimierungen benötigt, um die Effizienz ihres bleibasierten Rivalen zu erreichen. Die Arbeit legt nahe, dass der Weg nach vorne darin besteht, diese sichereren Materialien zu verfeinern, etwa durch die Anpassung ihrer Zusammensetzung, um ihre Leistung näher an die hohen Standards der toxischen, aber hocheffizienten Blei-Kristalle heranzuführen.