18.01.2022 • Materialwissenschaften

Photodetektoren auf Basis hybrider Perowskit-Halbleiter

Produktion per Tintenstrahl-Drucker – Halbleiter-Eigenschaften während des Drucks präzise einstellbar.

Mit einem Tintenstrahldruckverfahren haben Teams des Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin 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.

Abb.: Mit drei Perowskit-Vorläufertinten können unterschiedliche... — Abb.: Mit drei Perowskit-Vorläufertinten können unterschiedliche Metallhalogenidperowskite gedruckt werden. (Bild: V. R. F. Schröder et al. / Wiley-VCH)

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, also einer Tinte, möglich ist. Kommerziell erhältliche Salze werden in einem Lösungsmittel gelöst und dann auf ein Substrat aufgebracht. Die Gruppe um Emil List-Kratochvil 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.

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 Eva Unger erstmals einen kombinatorischen Ansatz für den Tintenstrahl-Druck nutzte, um verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen auf der Suche nach einem besseren Solarzellenmaterial zu drucken.

In der aktuellen Arbeit hat das Team jetzt eine 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 List-Kratochvil, „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.

HZB / RK