Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

In der Welt der Solarenergie suchen Wissenschaftler schon lange nach Materialien, die Sonnenlicht effizienter in Elektrizität umwandeln können als aktuelle Silizium-Panels. Jahrelang zeigten eine Familie von Materialien, bekannt als Perowskite, großes Potenzial, doch viele der leistungsstärksten enthalten Blei, ein giftiges Metall, das ökologische und gesundheitliche Risiken birgt. Dies hat Forscher dazu angetrieben, nach sichereren, bleifreien Alternativen zu suchen, die dennoch dieselbe Fähigkeit besitzen, elektrische Ladungen zu leiten. Zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören Verbindungen aus Wismut, einem wesentlich weniger toxischen Metall. Doch das bloße Ersetzen von Blei durch Wismut verändert die Art und Weise, wie sich das Material verhält. Um diese neuen Materialien nutzbar zu machen, müssen Wissenschaftler genau verstehen, wie sich Elektrizität durch sie bewegt, wie sie Licht absorbieren und wie ihre internen Kristallstrukturen angeordnet sind. Die Herausforderung liegt darin, dass diese Materialien komplex sind; ihre Leistung hängt stark von den spezifischen Atomen ab, die zum Aufbau verwendet werden, und davon, wie die dünnen Schichten des Materials hergestellt werden.

Ein Forschungsteam von Universitäten aus Slowenien und Nordmazedonien unternahm den Versuch, zwei spezifische Versionen dieser wismutbasierten Materialien zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf Verbindungen, bei denen die Wismut- und Iodatome mit Methylammonium oder Formamidinium gepaart sind, kleinen organischen Molekülen, die als strukturelle Abstandshalter innerhalb des Kristalls fungieren. Die Forscher erstellten diese Materialien im Labor, indem sie sie zuerst als feste Kristalle züchteten und sie dann in sehr dünne, gleichmäßige Filme auf Glasplatten umwandelten – ein Prozess, der für die Herstellung von Solarzellen essenziell ist. Durch die sorgfältige Untersuchung dieser Filme zielte das Team darauf ab, deren optische Eigenschaften zu bestimmen, wie etwa wie viel Energie benötigt wird, um ein Elektron zu befreien, sowie ihr elektrisches Verhalten, insbesondere wie leicht Ladungen bei unterschiedlichen Temperaturen durch das Material fließen können.

Das Team begann damit, zu bestätigen, dass es die korrekten chemischen Strukturen erfolgreich erzeugt hatte. Mittels Röntgenbeugung, einer Technik, die die Anordnung von Atomen durch das Abprallen von Röntgenstrahlen an einer Probe offenbart, verifizierten sie, dass die Kristalle die erwarteten Muster bildeten. Sie untersuchten die Filme auch unter leistungsstarken Mikroskopen, um die Oberflächenqualität zu prüfen. Die Bilder zeigten, dass beide Arten von Filmen glatt und kontinuierlich waren, ohne große Lücken oder Risse, was für die Funktion eines Geräts entscheidend ist. Ein subtiler Unterschied trat hervor: Der Film, der mit den Formamidinium-Molekülen hergestellt wurde, erschien auf der Oberfläche etwas regelmäßiger und geordneter als der mit Methylammonium hergestellte, was darauf hindeutet, dass die Größe und Form des organischen Moleküls beeinflusst, wie sich der Kristall während der Herstellung setzt. Die chemische Analyse bestätigte, dass das Verhältnis von Wismut zu Iodatomen exakt wie vorhergesagt war, was sicherstellte, dass die Materialien rein und frei von unerwünschten Verunreinigungen waren.

Als Nächsten maßen die Forscher, wie diese Filme mit Licht interagieren. Wenn Licht auf ein Material trifft, kann es absorbiert werden, wenn das Licht genügend Energie trägt, um ein Elektron in einen Zustand zu drücken, in dem es sich bewegen und einen Strom tragen kann. Das Team stellte fest, dass beide Materialien Licht sehr gut absorbieren, insbesondere im blauen und grüsten Teil des sichtbaren Spektrums, was den Filmen eine markante orangefarbene oder dunkelrote Farbe verleiht. Durch die Analyse der Absorptionsdaten berechneten sie die Energielücke, also den minimalen Energiebetrag, der erforderlich ist, um ein Elektron zu befreien. Sie ermittelten, dass die Methylammonium-Version eine Energielücke von 1,98 Elektronenvolt besitzt, während die Formamidinium-Version eine etwas kleinere Lücke von 1,74 Elektronenvolt aufweist. Dieser Unterschied ist signifikant, da eine kleinere Lücke es dem Material ermöglicht, ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts zu ernten. Die Daten deuteten darauf hin, dass beide Materialien als indirekte Halbleiter agieren, ein spezifischer Typ von Verhalten, bei dem die Bewegung von Elektronen eine Änderung des Impulses beinhaltet, was den Prozess etwas komplexer macht als bei direkten Halbleitern.

Um zu verstehen, wie Elektrizität tatsächlich durch diese Filme reist, führte das Team eine Impedanzspektroskopie durch, eine Methode, die misst, wie das Material den Fluss des elektrischen Stroms über einen weiten Bereich von Frequenzen und Temperaturen hinweg widersteht. Sie beobachteten, dass mit steigender Temperatur der Widerstand des Materials abnahm, ein typisches Verhalten von Halbleitern, bei denen Wärme hilft, Ladungsträger freizusetzen. Die Messungen ergaben, dass die Bewegung der Elektrizität nicht glatt und kontinuierlich erfolgt, sondern durch einen „Hopping“-Mechanismus (Sprungmechanismus) geschieht. In diesem Prozess springen Ladungen von einem lokalisierten Punkt zum nächsten und überwinden dabei kleine Energiebarrieren. Die Forscher berechneten, dass die Energie, die für diese Sprünge erforderlich ist, etwa 0,5 Elektronenvolt für beide Materialien beträgt. Dieser Wert ist höher als das, was typischerweise bei bleihaltigen Perowskiten zu sehen ist, was darauf hindeutet, dass Wismut-Materialien zwar sicherer sind, aber derzeit Ladungen langsamer bewegen.

Die Studie lieferte auch Details darüber, woher der Widerstand innerhalb des Materials kommt. Die elektrischen Signale deuteten darauf hin, dass die Grenzen zwischen den winzigen Kristallen, oder Körnern, die den Film ausmachen, resistenter sind als die Körner selbst. Das bedeutet, dass der Pfad des geringsten Widerstands oft an den Grenzflächen, an denen diese Kristalle aufeinandertreffen, blockiert wird. Darüber hinaus folgte die Relaxation der elektrischen Ladungen, also wie schnell sie auf ein sich änderndes Feld reagieren, keinem einfachen, einheitlichen Muster. Stattdessen zeigten die Ladungen eine Streuung der Reaktionszeiten, was auf eine komplexe interne Umgebung mit vielen verschiedenen Arten von Hindernissen hindeutet. Trotz dieser Hürden bestätigten die Forscher, dass die Materialien die grundlegenden Eigenschaften besitzen, die für optoelektronische Bauelemente erforderlich sind. Sie kamen zu dem Schluss, dass die wismutbasierten Filme zwar noch nicht so effizient sind wie ihre bleihaltigen Gegenstücke, ihre Stabilität und geringe Toxizität sie jedoch zu starken Kandidaten für die zukünftige Entwicklung machen, insbesondere wenn es Wissenschaften gelingt, die Verbindungen zwischen den Kristallen zu verbessern, um den elektrischen Fluss freier zu gestalten.