Vorbei mit Blei

• Antragsteller: Dr. Ryan Crisp, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542141531

Während erneuerbare Energiequellen zunehmend fossile Brennstoffe in der Stromerzeugung ersetzen, erfordert ihre weitreichende Nutzung weitere Fortschritte hinsichtlich der Materialeigenschaften und Verarbeitungskosten, um das EU-Ziel einer kohlenstoffarmen Wirtschaft bis 2050 zu erreichen. Die effizientere Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität mit kostengünstigeren Materialien und einfacheren Methoden steht im Mittelpunkt der Erforschung erneuerbarer Energie. Hierbei erzielte die Entwicklung des Materials „Perowskit“ bereits enorme Fortschritte. Das darin enthaltene, in der EU für kommerzielle Produkte verbotene Schwermetall Blei (Pb) stellt jedoch eine Hürde für die vollständige Nutzung der Perowskit-Technologie dar, ebenso wie dessen Instabilität bei Feuchtigkeitseinwirkung. Daher sollte sich die Forschung auf die Entwicklung von Alternativen zu bleibasierten Materialien fokussieren. Eine potentiell hocheffiziente Alternative stellt das wenig toxische, ubiquitär vorkommende Bariumzirconiumtrisulfid (BaZrS3) dar. Allerdings sind kontrollierte Synthesemethoden von BaZrS3-Perowskiten weit weniger elaboriert als von bleibasiertern - eine Lücke, die dieses Projekt durch die Entwicklung von Methoden zu Herstellung, Untersuchung der Materialeigenschaften und Prototypenbau schließt. Zur effizienten Nutzung dieses stabilen und viel versprechenden Materials für Solarzellen, photoelektrochemische Geräte und Lichtemitter stellt meine Expertise in anorganischer Synthese und Festkörperphysik die ideale Kombination dar. Dieser Forschungsantrag nutzt für die Herstellung von Perowskiten auf Basis von ubiquitär vorkommenden Materialien wie Barium, Zirkonium und Schwefel den großen Synthese-Parameterbereich, der für ähnliche Chalkogenid-Materialien entwickelt wurde. Die Arbeitspakete (WPs) dieses Projekts sind: (WP1) Untersuchung der Atomlagenabscheidung von dünnen Filmen aus BaZrS3, (WP2) Methodik zur Synthese von BaZrS3-Perowskit-Nanokristallen durch kolloidale Heißinjektion und Aufheiztechniken, (WP3) Charakterisierung der Materialeigenschaften (d.h. Kristallstruktur und -größe, Lichtabsorption, Lumineszenz, Ladungsträgerbeweglichkeit, Bandlückenabstimmung durch Legierung und Quantenkonfinement) und (WP4) Prototypenherstellung (Solarzellen, Transistoren, photoelektrochemische Zellen). Diese WPs erforschen neue Synthesewege und legen den Grundstein für zukünftige, auf dieser vielversprechenden Technologie aufbauenden Forschung. Das Projekt legt großen Wert auf interdisziplinären Austausch: Fachwissen in organischer und anorganischer Chemie, Chemieingenieurwesen, Physik und Spektroskopie wird genutzt zum Vorläuferstoff- und Ligandendesign, zur Messung und Berechnung der elektronischen Struktur und zur Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften. „Vorbei mit Blei“ bietet den idealen Rahmen zur Entwicklung eines neuen, stabilen und marktfähigen Materials mit hoher Lumineszenz, gutem Ladungstransport und einer justierbaren und geeigneten Bandlücke.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen