Ein bahnbrechender würfelförmiger Kristall für die Lichternte
Bei Methylammonium-Bleiiodid handelt es sich um einen Perowskit-Kristall, der äußerst stark mit Licht interagiert und daher für Anwendungen in Solarzellen und lichtemittierenden Dioden (LEDs) geeignet sein könnte. Das EU-finanzierte Projekt PICOPROP schickte sich an, diesen Werkstoff genauer unter die Lupe zu nehmen. „Er eignet sich wirklich hervorragend für die Photovoltaik“, erklärt der Projektkoordinator László Forró. „Wenn der Werkstoff dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, haben die entstehenden Photoelektronen eine lange Lebensdauer.“ So können hohe Konzentrationen an Photoelektronen aus dem Kristall gewonnen werden, was zu Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 25 % führen würde. Die Tendenz des Kristalls zu besonders langlebigen Photoelektronen ließ Forró die Vermutung anstellen, dass den Kristallen bei relativ hohen Temperaturen supraleitende Eigenschaften verliehen werden könnten. „Das wäre ein heiliger Gral für uns, da wir dann Elektrizität völlig ohne Verluste übertragen könnten“, merkt er an. Ein weiterer Forschungsansatz, der an der Schweizer Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne verfolgt wurde, befasste sich mit der Frage, ob Lichtimpulse den Forschenden ermöglichen würden, die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffs gezielt zu verändern. Dies wäre eine erschwingliche Möglichkeit, um Daten in optischen Computern zu speichern, die statt Elektronen Photonen verwenden, um Veränderungen an Bits vorzunehmen. „Da wir mit diesem Kristall viele Photoelektronen erzeugen können, fragten wir uns, ob wir wohl die magnetische Struktur verändern könnten – und das konnten wir tatsächlich“, fügt Forró hinzu. „Die entsprechende Demonstration war ein durchschlagender Erfolg und seitdem haben mehrere große Unternehmen Interesse an unsere Forschung.“
Hochempfindliche Detektoren
Die Fähigkeit, bei Lichteinfall große Mengen an Elektronen zu erzeugen, bedeutet, dass Methylammonium-Bleiiodid auch für andere Anwendungen gut geeignet ist. Indem Forró und sein Team das Material in koaxialen Nanodrähten verarbeiteten und diese dann an Schichten aus Graphen befestigten, konnten sie einen Lichtdetektor bauen, der empfindlich genug ist, sogar einzelne Photonen zu erkennen. Dieses Maß an Empfindlichkeit könnte den Verbundwerkstoff äußerst attraktiv für Anwendungen wie die medizinische Bildgebung machen. „Da wir auf so einfache Weise Photonen erkennen können, indem wir lediglich den Strom der Photoelektronen messen, schwebt uns ein Röntgen-Scanner vor, der nur eine sehr geringe Menge an Röntgenstrahlung verwendet“, so Forró. „Die Strahlungsmenge, die für eine mit dem Stand der Technik vergleichbare Bildqualität erforderlich ist, wäre um ein Zehntausendfaches geringer.“ Methylammonium-Bleiiodid könnte auch die kostspieligen Germanium-Kristalle in Gammastrahlendetektoren ersetzen, da diese im Vergleich eine geringere Empfindlichkeit aufweisen. „Dafür wäre ein großer Kristall vonnöten, da Gamma-Photonen äußerst energetisch sind und viel Material durchdringen können“, merkt Forró an. „Daher erarbeiteten wir, wie sich diese Kristalle auf eine Größe von bis zu 3,8 kg heranzüchten lassen. Das entspricht dem Gewicht eines neugeborenen Babys!“ Zwei Forschende des PICOPROP-Projekts arbeiten zurzeit an einem kommerziellen Spin-out, das solche Kristalle herstellt.
Umweltsicherheit
Die größte Herausforderung, die einer Kommerzialisierung von Methylammonium-Bleiiodid im Weg steht, ist die Frage, wie mit seiner Giftigkeit umzugehen ist. „Ich bin kein Neuling in diesem Geschäft“, so Forró. „Ich habe sofort eine biologische Fachkraft eingestellt, die die Gesundheitsrisiken dieses Werkstoffs untersuchte.“ Gemeinsam fand das Team eine Möglichkeit, das Perowskit mit Phosphat zu vermischen. Falls ein Gerät aufbricht und mit Wasser überflutet wird, reagiert das Phosphat mit dem Blei, sodass es vor Ort fixiert wird und keine giftigen Stoffe austreten. Letztendlich gelang es Forró nicht, eine stabile Supraleitfähigkeit in Methylammonium-Bleiiodid zu erreichen, aber er lässt sich davon nicht verunsichern. „Nur wer träumt, kann wirklich neue Dinge entdecken“, fügt er hinzu. Mehrere Zweige des Projekts werden nun für eine Kommerzialisierung in Betracht gezogen, darunter der Röntgendetektor, der einen Proof of Concept Grant der EU erhielt. Forró hat in der Schweiz das Rentenalter erreicht und zieht nun in die Vereinigten Staaten, um dort ein Labor für Quantenmaterialien zu gründen. Er erklärt diesen Schritt folgendermaßen: „Ich habe nach wie vor viele Ideen und jede Menge Energie.“
Schlüsselbegriffe
PICOPROP, Methylammonium-Bleiiodid, Photovoltaik, Röntgen, Gamma, Detektor, einzelnes Photon, optisch, Perowskit, Baby