05. Jan 2021

Perowskit-LEDs aus dem Drucker

Einem Team von Forschern des Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) ist es zum ersten Mal gelungen, Leuchtdioden (LEDs) aus einem hybriden Perowskit-Halbleitermaterial per Tintenstrahldruck herzustellen. Bisher war das nur bei Solarzellen geglückt, aber nicht bei LEDs.  Die neuentwickelte Methode eröffnet nun Möglichkeiten, leistungsfähige, helle LEDs, aber auch andere elektronische Bauelemente wie beispielsweise Displays aus diesen Halbleitern einfach und günstig zu produzieren.

Neuer Standard für die Elektronik 

LEDs haben in den 1990er Jahren sowohl die Beleuchtungstechnik als auch die Display-Technologie revolutioniert. Die LED-Leuchte ist heute der Industriestandard für die Beleuchtung und verdrängt zunehmend alle anderen Lichterzeugungstechniken vom Markt. Während derzeit noch bei Displays organische LED (OLED) die Technologieführer sind, könnten für die Fertigung von Bildschirmen bald auch Materialien mit der Struktur von Perowskit mitmischen. 

Perowskit ist keine neue Erfindung, aber die Herstellung von hybridem Perowskit-Halbleitermaterial per Tintenstrahldruck ist revolutionär. Die Produktion von organischen Halbleitern per Drucker ist schon seit längerem möglich. Auch Solarzellen aus dem Halbleitermaterial kommen bereits aus dem Printer. Doch ausgerechnet bei LEDs gab es Probleme: Die besonders effizienten und leuchtstarken hybriden Perowskit-Materialien entzogen sich bis jetzt der Druckbarkeit. 

Weil die Perowskit-Struktur erst nach Deposition auf dem Trägermaterial auskristallisiert, war die Qualität der entstehenden Kristallstruktur nur schwer zu kontrollieren. „Bislang war es daher nicht möglich, solche Halbleiterschichten aus einer flüssigen Lösung mit ausreichender Qualität zu erzeugen“, sagt Prof. Dr. Emil List-Kratochvil, Leiter der gemeinsamen Forschergruppe von HZB und HU.  

Im Juni 2020 verkündete nun das HZB den Erfolg: Das Forscherteam hat herausgefunden, wie sich die Kristallisierung des Perowskit-Materials optimieren lässt. Der Durchbruch gelang den Wissenschaftlern mithilfe eines Tricks: dem „Impfen“ der Oberfläche mit bestimmen Kristallen.

Grafische Darstellung des Druckprozesses für die Perowskit-LED. © HU Berlin/ Claudia Rothkirch

Nach Solarzellen nun auch LEDs aus dem Drucker 

Dass sich Solarzellen aus einer Lösung solcher Halbleiterverbindungen heraus drucken lassen, haben die Wissenschaftler am HZB in den letzten Jahren bereits gezeigt. Nun gelang es dem gemeinsamen Team von HZB und HU erstmals, auch funktionsfähige Leuchtdioden auf diese Weise herzustellen. Dazu verwendete die Forschergruppe einen Metall-Halogenid-Perowskit: Ein Material, das eine besonders hohe Effizienz bei der Lichterzeugung verspricht, das aber andererseits schwierig zu verarbeiten ist. 

„Die Herausforderung war es, die salzartige Vorstufe, die wir mit dem Drucker auf das Substrat aufbrachten, mit einer Art Lockmittel dazu zu bewegen, rasch und gleichmäßig zu kristallisieren“, erklärt List-Kratochvil. Das Team wählte dafür einen „Impfkristall“: Ein beigefügtes Salz, das sich auf dem Substrat anheftet und wie ein Gerüst für das Wachstum der Perowskit-Struktur dient.

Deutlich bessere optische und elektronische Merkmale 

Durch den Kniff schufen die Forscher gedruckte LEDs mit einer weit höheren Leuchtkraft und deutlich besseren elektrischen Eigenschaften als sie bislang mit additiven Fertigungsverfahren erreichbar waren. Allerdings liegt zum jetzigen Zeitpunkt die Leuchtdauer, die sich mit Perowskit aus dem Drucker erreichen lässt, eher bei Stunden als bei Monaten oder Jahren. Wenn man aber berücksichtigt, dass die erste Perowskit-LED nur wenige Sekunden geleuchtet hat, ist der Fortschritt der Entwicklung durchaus enorm. 

Die Lebensdauer reicht derzeit zwar noch nicht für eine kommerzielle Nutzung, aber für List-Kratochvil ist dieser Erfolg nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einer künftigen Mikro- und Optoelektronik, die seiner Meinung nach ausschließlich auf hybriden Perowskit-Halbleitern basiert. „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“, meint der Wissenschaftler. In dem Berliner Labor von HZB und HU will er daher nach und nach alle relevanten elektronischen Bauelemente auf diese Weise herstellen. 

Autorin: Bernadette Trepte

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