Photodetektoren auf Basis hybrider Perowskit-Halbleiter

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. R. F. Schröder et al.: Using Combinatorial Inkjet Printing for Synthesis and Deposition of Metal Halide Perovskites in Wavelength-Selective Photodetectors, Adv. Eng. Mater. 2021, 2101111 (2021); DOI: 10.1002/adem.202101111
• Generative Fertigungsprozesse für hybride Bauelemente, Helmholtz Zentrum Berlin
• AG Hybride Bauelemente, Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin