Vom Fund bis zur Erfindung

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Forschende, die unterschiedliche Anwendungen für Bleihalogenid-Perovskite entwic
Forschende, die unterschiedliche Anwendungen für Bleihalogenid-Perovskite entwickeln, machen sich ihre einzigartigen Eigenschaften zunutze. Illustration: Empa

Das Wort «Perovskit» beschreibt ein natürlich vorkommendes Mineral, aber auch eine ganze Reihe an hochspezialisierten synthetischen Verbindungen, die vielversprechende Anwendungen unter anderem in der Elektronik und der Photovoltaik haben. Aber was ist ihnen eigentlich gemeinsam? Wer hat sie ursprünglich entdeckt? Und welche innovativen Technologien entwickeln Forschende damit? Das ist das Thema der neuen Ausgabe des Empa Quarterly.

1839 erhielt der deutsche Mineraloge Gustav Rose eine eigenartige Gesteinsprobe aus dem Uralgebirge. Eingebettet in den Stein war ein etwa sieben Millimeter grosser kubischer Kristall aus einem bis dato unbekannten Mineral. Rose nannte das neu entdeckte Mineral Perovskit, nach seinem Sponsor, dem russischen Adligen und Mineralogen Lev Perovski.

Die bemerkenswerte Kristallstruktur des Perovskits wurde 1926 vom schweizerisch-norwegischen Wissenschaftler Victor Goldschmidt beschrieben. Sie basiert auf der chemischen Formel ABX3, wobei A und B positiv geladene Ionen - Kationen - sind. Bei X handelt es sich um ein negativ geladenes Anion. Beim ursprünglichen Perovskit, dem Calciumtitanoxid, sind A und B Calciumbeziehungsweise Titan-Kationen, X ein Sauerstoff-Anion.

Perovskite lassen sich aber auch aus anderen A-, B- und X-Komponenten herstellen. Besonders bekannt sind sogenannte Bleihalogenid-Perovskite. Sie enthalten an der B-Stelle Blei und X ist ein Halogen-Anion wie Chlorid, Bromid oder Iodid. An der A-Stelle ist ein grosses Kation zu finden, meist entweder Cäsium oder ein organisches Kation wie Methylammonium oder Formamidinium. Bleihalogenid-Perovskite sind gute Halbleiter, dessen Eigenschaften sich steuern lassen, indem man ihre genaue Zusammensetzung variiert. Sie lassen sich aus einfachen Chemikalien und Lösungsmitteln sowie aus Schmelzen herstellen, beispielsweise zu Dünnschichten oder grossen Monokristallen.

Forschende, die unterschiedliche Anwendungen für Bleihalogenid-Perovskite entwickeln, machen sich ihre einzigartigen Eigenschaften zunutze. 2014 haben Maksym Kovalenko und sein Team an der ETH Zürich und an der Empa, darunter Maryna Bodnarchuk aus dem Empa-Labor für Dünnfilme und Photovoltaik , erstmals winzige monodisperse Perovskit-Nanokristalle synthetisiert, sogenannte Quantenpunkte. Sie arbeiten weiterhin intensiv an der Materialentwicklung in diesem Bereich. Zudem forscht Kovalenkos Gruppe an Bildsensoren auf Basis von Dünnschicht-Perovskiten sowie an Detektoren für Gammaund Röntgenstrahlung, die aus Schichten von Perovskit-Monokristallen bestehen.

Das Team von Forscher Fan Fu widmet sich Solarzellen aus Perovskiten, die mit hoher Effizienz und Flexibilität punkten. Auch das Labor für Funktionspolymere unter der Leitung von Frank Nüesch arbeitet an Perovskit-Solarzellen. 2020 ging aus dem Labor das Spin-off «Perovskia Solar» hervor, nur etwa 30 Jahre, nachdem Perovskit-Solarzellen erstmals beschrieben wurden - und 181 Jahre, nachdem Gustav Rose den kuriosen Kristall in Händen hielt.