Kristalltücher – hauchdünne Filme aus dem Photovoltaikmaterial Perowskit hergestellt

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Bild von Gaby Stein auf Pixabay

Hauchdünne Filme aus wenigen Atomlagen, quasi Tischdecken aus einem besonders wertvollen Gewebe, entfalten bemerkenswerte Eigenschaften. Ihre auffälligste Eigenschaft ist, dass sie Strom nur in der Fläche leiten. Also sozusagen ein Tischtuch, dass alle Handys, die daraufliegen, mit Strom versorgen würde. Das bekannteste zweidimensionale Material ist Graphen, die hauchdünne Graphitschicht. Andere Flächenmaterialien sind Metallchalkogenide wie Molybdänsulfid. Eine chinesisch-amerikanische Kollaboration hat jetzt freistehende ultradünne Perowskitfilme hergestellt, wie die Zeitschrift Nature im Juni diesen Jahres berichtete (doi.org/10.1038/s41586-019-1255-7).

 

Perowskit: ein Mineral im Sonnenlicht

Perowskit ist Calciumtitanat, ein Mineral. Interessant ist seine Kristallstruktur, denn in der Perowskit-Konstellation mit dem Verhältnis „ABX3“, also ein Atom der Sorte „A“, eines der Sorte „B“ und drei Atome der Sorte „X“, kristallisieren auch andere Verbindungen. Seit einigen Jahren entwickeln die Wissenschaftler Perowskite als vielversprechenden Solarzellentyp.

Unter Licht trennen sich die Ladungen in der Halbleiterschicht und elektrischer Strom entsteht.

In Solarzellen liegen meistens mehrere dünne Materialschichten übereinander. Durch Bestrahlung trennen sich die Ladungen in der zentralen, halbleitenden Schicht. Elektrischer Strom entsteht. Die bislang dünnste Perowskitschicht haben jetzt die Wissenschaftler Peng Wang und Yuefeng Nie von der Nanjing University in China und Xiaoquing Pan, der sowohl an der Nanjing University in China als auch an der University of California in Irvine (USA) arbeitet, hergestellt.

 

Vom Block zum Tuch, nein: Herstellen des Tuchgewebes auf einer Vorlage

Kristalle wie Perowskit haben eigentlich eine Raumstruktur: eine regelmäßige Anordnung der Einheitszellen in alle drei Raumrichtungen. Die Perowskit-Einheitszelle ist würfelförmig, also kubisch. An den Ecken sitzen die Atome „B“, auf den Kanten die Atome „X“ und in der Würfelmitte sitzt das Atom „A“. Man kann sich leicht denken, dass es nicht so leicht ist, dünne Schichten zu erzeugen, denn oben und unten müssen ja gewissermaßen Bindungen „abgeschnitten“ werden.

Anders als bei Graphen, das einfach durch Abblättern dünner Schichten von Graphit gewonnen wird, funktioniert das  Abblättern bei Perowskit nicht. Deshalb ließen die Wissenschaftler „aufwachsen“: Auf einem Substrat deponierten sie zunächst eine Schicht aus Strontiumaluminat, darauf durch Molekularstrahlepitaxie den Perowskit. (Die Molekularstrahlepitaxie ist eine physikalische Beschichtungsmethode, bei der im Ultrahochvakuum ein kristallines Substrat mit verschiedenen Atom- oder Molekülsorten bedampft wird. Die Schicht hat dann das gleiche Kristallmuster wie das Substrat.) Die Wissenschaftler erzeugten sozusagen das Tischtuch, indem sie das Gewebe auf einer Vorlage aufknüpften.

Dann lösten die Wissenschaftler das Substrat mitsamt der Strontiumaluminatschicht, der Vorlage, ab: Das Strontiumaluminat ist wasserlöslich und löst sich einfach auf. Den Perowskitfilm hielten die Wissenschaftler zusammen, indem sie ihn durch eine Silikon-beschichtete Kunststofffolie stützten: Wie mit Tesafilm, der auf einem Sandgewebe liegt. Mit der Folie übertrugen sie die Perowskitschicht auf eine Siliziumunterlage oder legten sie auf ein Netzchen auf, das der Objektträger im Elektronenmikroskop ist.

Auf diesem Netzchen waren die Perowskitschichten sogar freischwebend: wunderschöne Kristallblätter, wie ein Knüpfteppich aus Sandkörnchen. Die Körnchen, die auf den veröffentlichten Bildern der elektronenmikroskopischen Aufnahmen als helle Pünktchen sieht, sind die Einheitszellen aus Bismuteisenoxid: BiFeO3.

Es waren die dünnsten Perowskitschichten bislang, zwei bis vier Einheitszellen dick. Dünne kristalline Materialien haben oftmals bemerkenswerte Eigenschaften. Für das Bismuteisenoxid beobachteten die Wissenschaftler Veränderungen gegenüber dem normalen dreidimensionalen Kristall wie verstärkte Polarisierung und die Verzerrung des Gitters. Letzteres kommt nicht ganz unerwartet: Wie schon gesagt, ist das Perowskitgitter eigentlich dreidimensional, also gleichmäßig in alle Raumrichtungen. Schneidet man die Seiten ab und macht man es immer dünner, muss mit den Oberflächen etwas passieren, denn eine Bindung in eine Raumrichtung fällt ja weg.

Die Schicht, das unbekannte Wesen

Die Forscher bewiesen, dass ein solcher Raumkristall wie der Perowskit als wenige Einheitszellen dicke Schicht aufgebaut werden kann. Sie wollen jetzt diese dünnen Filme mit Halbleitern kombinieren und mit physikalischen Methoden untersuchen. Das könnte spannende neue Erkenntnisse auch für die Solarzellenforschung ergeben.