Nach Forschungsboom bei Solarzellen: Leuchtdioden aus Perowskit-Kristallen

Kombiniert mit winzigen Quantenpunkten lässt sich in ersten Prototypen die Farbe des ausgestrahlten Lichts gezielt beeinflussen
Neuartige Leuchtdiode vereint Perowskit-Kristalle (PS) und Quantenpunkte (QD) in einem vielschichtigen Aufbau.
Neuartige Leuchtdiode vereint Perowskit-Kristalle (PS) und Quantenpunkte (QD) in einem vielschichtigen Aufbau.
© Rafael S. Sanchez et al., Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.1501104, Universitat Jaume I
Castelló (Spanien)/Valencia (Spanien) - Perowskit-Kristalle begeistern derzeit die Entwickler neuer Solarzellen, da sie nur wenige Jahre nach den allerersten Prototypen heute schon Wirkungsgrade von über 20 Prozent ermöglichen. Nun versuchten spanische Wissenschaftler, aus diesem lichtaktiven Material auch Leuchtdioden zu entwickeln. In Kombination mit winzigen Quantenpunkten gelang es ihnen, neue Leuchtquellen für den nahen Infrarotbereich herzustellen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, könnte der Bereich des ausgestrahlten Lichts auch auf andere Wellenlängen ausgedehnt werden.

„Die Wellenlänge dieser Leuchtdioden lässt sich über die Größe der Quantenpunkte gezielt verändern“, sagt Iván Mora Seró von Universitat Jaume I in Castelló. Gemeinsam mit Kollegen von der Universidad de Valencia deponierte er in einem nasschemischen Verfahren extrem dünne Schichten aus bleihaltigen Perowskit-Kristallen auf einer leitfähigen Unterlage. Danach ergänzten die Forscher nur zwei bis drei Nanometer kleine Nanopartikel aus Blei- und Cadmiumsulfid - einmal auf der Perowskitschicht und einmal darunter. Abgedeckt wurde diese Stapel lichtaktiver Substanzen mit hauchdünnen und transparenten Goldfilmen, über die elektrischer Strom fließen konnte.

Mit geringen Spannungen von weniger als einem Volt versorgt, strahlten diese Leuchtdioden Infrarotlicht mit Intensitätsmaxima zwischen 800 und 1400 Nanometer Wellenlänge aus. Die Kombination mit größeren Nanopartikeln, auch Quantenpunkte genannt, emittierte dabei bevorzugt bei den kürzeren Wellenlängen und kleinere Quantenpunkte führten zu einer langwelligeren Strahlung. Zusätzlich beeinflusste die Höhe der Versorgungsspannung die emittierte Wellenlänge: je geringer die Spannung war, desto mehr längerwelliges Licht wurde ausgesendet. Verantwortlich für diese Lichtemission machten Seró und Kollegen die spezielle elektronische Struktur dieser Materialkombination. Dabei beeinflussten sich die verschiedenen elektronischen Eigenschaften von Perowskit-Kristallen und Quantenpunkten gegenseitig. Es bildeten sich spezielle Bandstrukturen aus, die auch als Exciplex-Zustände bezeichnet werden.

Auf eine möglichst hohe Lichtausbeute waren diese ersten Prototypen noch nicht getrimmt. Die Wissenschaftler wollten vielmehr prinzipiell zeigen, dass sich dank der Mischung von Quantenpunkten und Perowskit-Kristallen die Wellenlängen des ausgesendeten Lichts gezielt verändern ließen. In weiteren Versuchen könnten nun sowohl die Effizienz erhöht als auch die Farbe des emittierten Lichts in den sichtbaren Bereich des Lichtspektrums verschoben werden. Doch auch eine neue Infrarot-Lichtquelle ließe sich für die optische Übertragung digitaler Daten nutzen.

Iván Mora Seró ist davon überzeugt, dass sein Ansatz nicht nur zu einer neuen Klasse von Leuchtdioden und gar Lasern verschiedener Farben führt, die sich sehr günstig mit nassschemischen Verfahren fertigen ließen. Auch Perowskit-Solarzellen könnten durch die Einbettung von winzigen Quantenpunkten weiter verbessert werden. Denn diese Materialkombination böte einen geeigneten Ansatz, um einen größeren Teil des Sonnenspektrums für die photovoltaische Stromerzeugung nutzen zu können. Dieses Ziel erreichen bisher nur gestapelte Tandem- oder Tripel-Solarzellen.

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