α-FAPbI3, ein vielversprechendes Solarzellenmaterial mit kubischer Perowskitstruktur, das bei Raumtemperatur metastabil ist, kann durch die Einführung eines Pseudohalogenidions wie Thiocyanat (SCN–) in seine Struktur stabilisiert werden, wie Forscher von Tokyo Tech in einem neuen Dokument demonstrieren Studie. Ihre Entdeckung liefert neue Einblicke in die Stabilisierung der α-Phase durch Korngrenzen- und Pseudohalogenid-Engineering.
Die Arbeit ist im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society.
Das Licht, das wir jeden Tag von der Sonne empfangen, kann uns, wenn es effizient genutzt wird, dabei helfen, die anhaltende globale Energiekrise sowie unsere Sorge um den Klimawandel zu bewältigen. Für den Aufbau von Solarzellen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, werden Materialien mit guten photophysikalischen Eigenschaften, also Lichtabsorption, verwendet.
Ein solches Material, das in letzter Zeit an dieser Front an Bedeutung gewonnen hat, ist α-Formamidinium-Bleiiodid oder α-FAPbI3 (wobei FA+ = CH(NH2)2+), ein kristalliner Feststoff mit kubischer Perowskitstruktur.
Solarzellen aus α-FAPbI3 weisen einen bemerkenswerten Umwandlungswirkungsgrad von 25,8 % und eine Energielücke von 1,48 eV auf, Spezifikationen, die für reale Anwendungen äußerst wünschenswert sind. Leider ist α-FAPbI3 bei Raumtemperatur metastabil und durchläuft einen Phasenübergang zu δ-FAPbI3, wenn es durch Wasser oder Licht ausgelöst wird. Die Energielücke von δ-FAPbI3 ist viel größer als der Idealwert für Solarzellenanwendungen, weshalb die Erhaltung der α-Phase für praktische Zwecke von entscheidender Bedeutung ist.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor Takafumi Yamamoto vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) kürzlich eine neue Strategie zur Stabilisierung von α-FAPbI3 vorgestellt. Das Team konzentriert sich auf den Stabilisierungsmechanismus von α-FAPbI3 durch Einführung eines Pseudohalogenidanions, Thiocyanat (SCN–).
„Frühere Studien haben gezeigt, dass ein teilweiser Ersatz der Oberflächenanionen von FAPbI3 von Iodid (I–) durch SCN–-Ionen die α-Phase stabilisiert. Es ist jedoch immer noch unklar, wie sich SCN–-Ionen in das Perowskitgitter einbauen und die Grenzflächenstabilität erhöhen. “ erklärt Dr. Yamamoto.
Das Team stellte erstmals Einkristall- und Pulverproben des Thiocyanat-stabilisierten pseudokubischen Perowskits her. Die Strukturanalyse ergab, dass es eine √5-fache Überstruktur aus kubischem Perowskit mit geordneten Säulendefekten aufweist, die die α‘-Phase bilden. Das neue Material erwies sich in trockener Atmosphäre bei Raumtemperatur als thermodynamisch stabil und wies eine Energiebandlücke von 1,91 eV auf.
Das Team fand heraus, dass das Vorhandensein der α‘-Phase in einer Probe, die die δ-Phase enthielt, die Phasenumwandlung von δ zu α förderte und die Übergangstemperatur um über 100 K senkte. Sie wiesen darauf hin, dass die defektgeordneten Muster in der Die α‘-Phase, die an der Zwillingsgrenze ein Koinzidenzstellengitter bilden kann, führt zur Stabilisierung der α-Phase, entweder durch eine Verringerung ihrer Keimbildungsenergie oder durch thermodynamische Stabilisierung durch Epitaxie.
Diese von den Forschern gewonnenen Erkenntnisse könnten zu weiteren Untersuchungen der Auswirkung der Leerstellenordnung und der Defekttoleranz auf die Stabilität von Halogenid-Perowskiten anregen. „Diese Arbeit zeigt, dass α-FAPbI3 durch Pseudohalogenid- und Korngrenzen-Engineering stabilisiert werden kann, was sich für Wissenschaftler, die neue thermodynamisch stabile Solarzellenmaterialien mit idealen Bandlücken und hervorragender Umwandlungseffizienz entwickeln wollen, als nützlich erweisen könnte“, schließt Dr. Yamamoto.
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Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c05390