Die Forschung zu Aziridinium-Bleiiodid (AzrPbI₃) hat sich von rein theoretischen Vorhersagen im Jahr 2018 hin zu einer erfolgreichen experimentellen Synthese in den letzten Jahren entwickelt. Es gilt neben Methylammonium (MA) und Formamidinium (FA) als eines der wenigen organischen Kationen, die in der Lage sind, ein symmetrisches 3D-Perowskit-Gerüst zu stabilisieren. AzrPbI3 weist eine geeignete Bandlücke (ca. 1,5 eV) auf, die nahe am Idealwert für Einfachsolarzellen liegt; zudem stimmen die ermittelten Bandlagen von AzrPbI3 mit Literaturwerten anderer Perowskite überein.

In der jüngsten Studie unserer Arbeitsgruppe wird Aziridinium-Bleiiodid (AzrPbI₃) mit dem Industriestandard Methylammonium-Bleiiodid (MAPbI₃) verglichen. Dabei zeigt sich, dass AzrPbI3 deutlich widerstandsfähiger gegen Degradation durch Feuchtigkeit, Luft und UV-Licht ist als MAPbI3, wenngleich es anfälliger gegenüber Hitze bleibt. Die Arbeit unterstreicht das Engineering von Aziridinium-Kationen als vielversprechenden neuen Ansatz für die Entwicklung langlebigerer Perowskit-Materialien für Solarzellen.

Zweidimensionale Ruddlesden-Popper-Perowskite sind Schichtderivate der dreidimensionalen Metallhalogenid-Perowskite mit der allgemeinen Formel (A´)₂(A)ₙ₋₁BₙX₃ₙ₊₁. Dabei steht A´ für einen sperrigen organischen Spacer, A für ein einwertiges organisches Kation wie Methylammonium (MA⁺) oder Formamidinium (FA⁺), B für ein zweiwertiges Metallkation (Pb²⁺) und X für ein Halogenid-Anion (I⁻, Br⁻ oder Cl⁻). Der Parameter n gibt die Anzahl der eckenverknüpften BX₆-Oktaederschichten an. Die abwechselnde Anordnung von organischen Schichten und Oktaederschichten bildet eine natürliche Quantentopfstruktur, in der die organischen Spacer als isolierende Barriereschichten wirken, während n die Dicke des Quantentopfs bestimmt. Die Wahl des organischen Spacers ist ein zentraler Stellhebel im Materialdesign: Er steuert den Schichtabstand, die Verkippung und Verzerrung der Oktaeder, die Gitterstarrheit und die Hydrophobie und damit die optischen und elektronischen Eigenschaften sowie die Stabilität des Materials. In unserer Gruppe haben wir RP-Perowskit-Einkristalle synthetisiert, die eine Vielzahl funktionaler organischer Spacer enthalten. Wir untersuchen, wie die Spacer-Chemie die Struktur und das optoelektronische Verhalten beeinflusst, mit dem Ziel, stabile und effiziente Materialien für photovoltaische Anwendungen zu entwickeln.

Das Azetidinium-Kation ist aufgrund seines geringen effektiven Radius ein wichtiger Baustein für die Synthese neuer Photovoltaikmaterialien. Da Blei eine ernsthafte Umweltgefahr darstellt, ist die Entwicklung bleifreier Alternativen unerlässlich. Unsere Arbeitsgruppe hat erfolgreich sieben neue, niedrigdimensionale, bleifreie Lichtabsorber auf Basis des Azetidinium-Kations synthetisiert. Diese Materialien eignen sich hervorragend für Anwendungen in Tandem-Solarzellen und Photovoltaik-Anlagen für Innenräume. Darüber hinaus trägt diese Forschung dazu bei, die Faktoren zu klären, die die Stabilität und Photoleitfähigkeit bleifreier Materialien für zukünftige Photovoltaikanwendungen verbessern.