Spannender Fortschritt: Forschern ist es erstmals gelungen, Leuchtdioden aus einem hybriden Perowskit-Halbleitermaterial mittels Tintenstrahldruck zu produzieren. Bisher ist dies zwar bei Solarzellen gelungen, nicht aber bei LEDs. Die neue Methode eröffnet nun neue Möglichkeiten, diese leistungsfähigen, hellen LEDs, aber auch andere elektronische Bauteile aus diesen Halbleitern, einfach und günstig herzustellen.
Bei organischen Halbleitern ist die Herstellung per Drucker schon länger möglich: Wissenschaftler haben so schon organische Solarzellen und sogar Laserchips produziert. Auch Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Perowskit lassen sich per Tintenstrahldruck herstellen. Doch ausgerechnet bei Leuchtdioden gab es Probleme: Die besonders effizienten und leuchtstarken hybriden Perowskit-Materialien entzogen sich der Druckbarkeit. Bei diesen Halbleitern bilden organische und anorganische Komponenten die Perowskit-Kristallstruktur.
Das Problem der Kristallisierung
Das Problem dabei: Weil die Perowskit-Struktur erst nach Deposition auf dem Trägermaterial auskristallisiert, ist die Qualität der entstehenden Kristallstruktur schwer kontrollierbar. Die vielversprechenden Metall-Halogenid-Perowskite bilden dadurch meist viele Defekte im Gitter, was die Leistung der resultierenden LEDs schmälerte. „Bislang war es daher nicht möglich, solche Halbleiterschichten aus einer flüssigen Lösung mit ausreichender Qualität zu erzeugen“, sagt Emil List-Kratochvil von der Humboldt-Universität Berlin (HU).
Jetzt jedoch ist dem Forscherteam um Erstautor Felix Hermerschmidt von der HU ein entscheidender Durchbruch gelungen. Denn sie haben herausgefunden, wie sich die Kristallisierung des Perowskit-Materials optimieren lässt. Der Clou dabei: Vor dem Auftragen der Halbleiterflüssigkeit aus Metallammonium-Bleibromid (MAPbBr3) impften die Wissenschaftler das Trägersubstrat – ein Polymer – mit dem Salz Kaliumchlorid.
Salz als Ordnungsgeber
Es zeigte sich: Das zuvor im Mikroskop eher diffuse, wenig strukturierte Trägermaterial bekam durch die Salzimpfung nun eine kristalline Struktur: „Bei fünf Gramm pro Liter Kaliumchlorid zeigten sich kleine Mikrokristalle, bei der höheren Konzentration von 15 Gramm pro Liter sind klar dendritische Kristallstrukturen sichtbar, die sich über Dutzende Mikrometer erstrecken“, berichten die Forscher.
Im nächsten Schritt trugen Hermerschmidt und seine Kollegen mittels Tintenstrahldrucker das hybride Perowskit-Material auf diese Unterlage auf. Das Ergebnis: Die Kristallstruktur der Unterlage übertrug sich auf den Halbleiter und brachte auch ihn dazu, in geordneter Weise auszukristallisieren. „Durch die Impfkristall-Schicht kontrolliert unsere Methode direkt die Kristallisation in der aufgedruckten Schicht“, so die Wissenschaftler.
20 Mal lichtstärker als zuvor
Was dies für die Leistung gedruckter Leuchtdioden aus solchen hybriden Perowskiten bedeutet, testeten die Forscher, indem sie mehrere solcher LEDs mittels Tintenstrahler herstellten und ausprobierten. Die Messungen ergaben: Die gedruckten LEDs erreichten eine Leuchtkraft von 4.000 Candela schon bei einer Schwellenspannnung von 2,6 Volt. Das entspricht einem Anstieg der Luminanz um den Faktor 20 gegenüber den Druckversuchen ohne das Salz.
„Wir haben zum ersten Mal eine Leuchtdiode aus Metall-Halogenid-Perowskit produziert, deren aktive Schicht mit einem Tintenstrahldrucker aufgetragen wurde“, sagen Hermerschmidt und seine Kollegen. Diese Technik eröffne neue Möglichkeiten, leistungsstarke LEDs und andere Halbleiter-Bauteile einfach und in großer Zahl herzustellen.
„Je nach Zusammensetzung lassen sich daraus alle Arten von mikroelektronischen Bauelementen fertigen“, sagt List-Kratochvil. „Die Vorteile, die eine universell einsetzbare Klasse von Materialien bietet, aus der sich beliebige Bauteile mit einem einzigen einfachen und kostengünstigen Verfahren fertigen lassen, sind bestechend.“ (Materials Horizons, 2020; doi: 10.1039/d0mh00512f)
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
