de.wedoany.com-Bericht: Forscher der südkoreanischen Hanbat National University haben ein Modell entwickelt, das ein systematischeres Design organischer Abstandsschichten in zweidimensionalen Perowskit-Materialien ermöglicht. Dies könnte die Entwicklung dieser Materialien in optoelektronischen Bauelementen wie Solarzellen und LEDs beschleunigen.

Zweidimensionale Perowskite gelten aufgrund ihrer guten Lichtabsorptions- und Emissionsfähigkeit sowie ihrer im Vergleich zu einigen verwandten Materialien überlegenen Stabilität als Kandidaten für die nächste Generation lichtbasierter Technologien. Ihre Leistung ist jedoch sehr empfindlich gegenüber strukturellen Veränderungen; selbst kleine strukturelle Abweichungen können das optoelektronische Verhalten des Materials erheblich beeinflussen, und die kausalen Zusammenhänge sind oft schwer zu ermitteln.

Die unter der Leitung von Professor Ki-Ha Hong vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Hanbat National University durchgeführte Studie konzentriert sich auf die dünnen organischen Abstandsschichten im Inneren zweidimensionaler Perowskite, um deren spezifischen Einfluss auf die Materialeigenschaften zu klären. Zweidimensionale Perowskite bestehen aus abwechselnd gestapelten anorganischen Schichten und organischen Abstandsschichten. Die anorganischen Schichten sind hauptsächlich für die optoelektronische Aktivität verantwortlich, während die organischen Abstandsschichten die Wechselwirkungen dieser funktionellen Schichten beeinflussen.

Ein zentrales Konzept der Studie ist das „Exziton", ein Elektron-Loch-Paar, das entsteht, wenn das Material Licht absorbiert. Die Eigenschaften der Exzitonen beeinflussen direkt die Anwendungsleistung des Materials in LEDs und Solarzellen. Bisher war es schwierig, die Effekte der Abstandsschicht selbst zu isolieren, da eine Änderung des Abstandsmaterials oft gleichzeitig den Schichtabstand und die Materialstruktur veränderte.

Um diese Effekte zu trennen, wählte das Team eine Gruppe strukturell sehr ähnlicher zweidimensionaler Bleiiodid-Perowskite, deren anorganische Grundstruktur nahezu unverändert blieb. Durch die Verwendung organischer Abstandsschichten mit ähnlichen chemischen Endgruppen, aber unterschiedlicher Kettenlänge, wurde der Abstand der anorganischen Schichten angepasst, während starke Verzerrungen der Materialstruktur vermieden wurden. Anschließend wurden mit verschiedenen spektroskopischen Techniken die Bandlücke und die Exzitonenenergie des Materials gemessen.

Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Kettenlänge der Abstandsschicht die Quasiteilchen-Bandlücke größer wurde, die Exzitonenenergie sich jedoch nur geringfügig änderte. Dies deutet darauf hin, dass die Abstandsschicht das elektrische Verhalten des Materials signifikant beeinflusst, die optische Absorptionsenergie jedoch nur begrenzt. Gleichzeitig erhöhten längere Abstandsschichten die Exzitonenbindungsenergie, also die Stärke, mit der Elektron und Loch nach der Lichtabsorption verbunden bleiben.

Das Forschungsteam testete auch die Erklärungskraft des bestehenden Keldysh-Modells für die experimentellen Ergebnisse. Dieses Modell wird häufig zur Beschreibung von Exzitonen in ultradünnen Materialien verwendet, konnte die Beobachtungen jedoch nicht vollständig abbilden. Durch die Einführung einer neuen Funktion, die die tatsächliche Dicke der organischen Abstandsschicht berücksichtigt, wurde die Übereinstimmung zwischen Modell und experimentellen Daten verbessert.

Die Studie bietet einen direkteren molekularen Designansatz für die Leistungsvorhersage zweidimensionaler Perowskite und ermöglicht Unternehmen und Forschungsteams eine effizientere und zielgerichtetere Entwicklung, bevor die Materialien in Bauelemente integriert werden. Die Forschungsergebnisse wurden im Dezember 2025 online veröffentlicht und sind in der Zeitschrift „Advanced Functional Materials" erschienen.