Ein elektronischer Regenbogen: Perowskit-Spektrometer mit Tintenstrahldrucker
© AdobeStock_180217487_Rainbow colored equalizer effect
Mit drei Perowskit-Vorläufertinten können unterschiedliche Metallhalogenidperowskite gedruckt werden. © 10.1002/adem.202101111
Mit einem Tintenstrahldruckverfahren haben Teams aus dem Innovation Lab HySPRINT am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) Photodetektoren auf Basis von hybriden Perowskit-Halbleitern produziert. Durch gezieltes Abmischen von nur drei „Tinten“ konnten sie die Eigenschaften des Halbleiters während des Druckvorgangs präzise einstellen. Der Tintenstrahldruck ist in der Industrie eine etablierte Herstellungsmethode, die eine schnelle und kostengünstige Verarbeitung von Lösungen ermöglicht. Die Ausweitung von der großflächigen Beschichtung auf die kombinatorische Materialsynthese eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten in einem einzigen Druckschritt.
Metallhalogenid-Perowskite sind eine faszinierende Materialklasse mit einem breiten Spektrum von möglichen Anwendungen in der Optoelektronik und Photovoltaik. Die Herstellung elektronischer Bauteile mit diesem Material ist besonders attraktiv, weil sie aus einer Lösung, d. h. aus einer Tinte, möglich ist. Kommerziell erhältliche Salze werden in einem Lösungsmittel gelöst und dann auf ein Substrat aufgebracht. Die Gruppe um Prof. Emil List-Kratochvil, Leiter einer gemeinsamen Forschungsgruppe am HZB und der HU, konzentriert sich darauf, solche Bauelemente mit Hilfe von Herstellungsverfahren wie dem Tintenstrahldruck herzustellen. Der Drucker trägt die Tinte auf ein Substrat auf und nach dem Trocknen bildet sich ein dünner Halbleiterfilm. Durch die Kombination mehrerer Schritte mit verschiedenen Materialien lassen sich Solarzellen, LEDs oder Photodetektoren in wenigen Minuten herstellen.
Kombinatorischer Ansatz
Der Tintenstrahldruck ist in der Industrie bereits eine etablierte Technik, nicht nur für Zeitungen und Zeitschriften, sondern auch für Funktionsmaterialien. Metallhalogenid-Perowskite sind für den Tintenstrahldruck besonders interessant, da ihre Eigenschaften durch ihre chemische Zusammensetzung eingestellt werden können. Forschungsgruppen am HZB haben bereits Solarzellen und LEDs aus Perowskiten im Tintenstrahldruck hergestellt. Diese Fähigkeiten wurden 2020 weiter ausgebaut, als die Gruppe von Dr. Eva Unger erstmals einen kombinatorischen Ansatz für den Tintenstrahl-Druck nutzte, um verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen auf der Suche nach einem besseren Solarzellenmaterial zu drucken.
Gedrucktes Spektrometer
In der aktuellen Arbeit hat das Team um Prof. Emil List-Kratochvil nun eine spannende Anwendung für eine große Perowskit-Serie in wellenlängenselektiven Photodetektoren gefunden. "Der kombinatorische Tintenstrahldruck kann nicht nur zum Screening verschiedener Materialzusammensetzungen für Solarzellenmaterialien verwendet werden", erklärt er, "sondern ermöglicht uns auch die Herstellung mehrerer, separater Bauelemente in einem einzigen Druckschritt." Im Hinblick auf ein industrielles Verfahren würde dies die Produktion der unterschiedlichsten elektronischen Bauelemente ermöglichen. In Kombination mit gedruckten elektronischen Schaltkreisen würden Photodetektoren ein einfaches Spektrometer bilden: papierdünn, auf eine beliebige Oberfläche gedruckt, potenziell flexibel, ohne die Notwendigkeit eines Prismas oder Gitters zur Trennung der eingehenden Wellenlängen.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.