The effects of climate change are becoming more frequent and extreme; effects such as droughts, floods, heat and cold waves are putting the lives of millions of people at risk. The main contributor to climate change is the use of fossil fuels such as coal, oil and gas;1 hence, there is a need to replace that source of energy with renewable energy. Solar energy is the third most used renewable energy, after hydropower and wind energy. The material that is mostly used for solar cells is silicon due to its high efficiency and stability; however, its production is expensive and highly energy-consuming. In the last years, other materials2,3 have risen to offer a more sustainable approach, but despite their many advantages, they cannot compete in terms of efficiency. Hybrid halide perovskites (HHPs) have drawn the attention of the scientific community, not only for their steep increase in power conversion efficiency during the last decade, up to 26.7%4 in 2024 but also for using low-cost solution-based processing methods. Despite their popularity, it is not yet fully understood what the formation mechanism of HHPs is. This work aims to bring more clarity on how HHPs form from solution, focusing on how the solvent used interacts with the precursors before the perovskite is formed. For this reason, the precursor solution of MAPbI3 (MA= CH3NH3) was studied with 4 common solvents used to produce perovskite layers: γ-butyrolactone (GBL), N,N-dimethylformamide (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO) and mixtures thereof. Furthermore, since HHPs present changes in the bandgap when the composition is modified,5 the effect of substituting I- for Br- and Cl- and substituting MA+ for FA+ (HC(NH2)2) and alkali metals (Na+, K+, Rb+, Cs+) was studied as well. Small angle X-ray scattering was the method of choice to investigate the precursor solutions since it can determine the size, shape, interaction, and average distance between the scattering objects in solutions in the range of 0.5 – 100 nm. The results obtained from SAXS can be explained by a core-shell model, where the core is a [PbI6], which can be arranged as a single octahedron or as a corner-sharing octahedra and the shell is formed by randomly oriented solvent molecules. When the A-cation is molecular (FA+, MA+), it has no influence on the arrangement of the scattering objects, but when the A-cation is inorganic, the [PbI6] octahedra of adjacent scattering objects are surrounded by a solvent shell with molecules or by an A-cation shell. The results from SAXS showed higher polydispersity in the samples with an inorganic A-cation, which is in agreement with the proposed model. Changing the I- for Br- favours the single octahedron arrangement in the core, whereas when Cl- is used as a halide, there is no evidence of agglomeration in the precursor solution.
Die Auswirkungen des Klimawandels werden immer häufiger und extremer; Dürren, Überschwemmungen, Hitze- und Kältewellen gefährden das Leben von Millionen von Menschen. Der Hauptverursacher des Klimawandels ist die Nutzung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas.1 Daher besteht die Notwendigkeit, diese Energiequellen durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Die Solarenergie ist nach der Wasserkraft und der Windenergie die am dritthäufigsten genutzte erneuerbare Energie. Das am häufigsten für Solarzellen verwendete Material ist Silizium, da es einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Stabilität aufweist; seine Herstellung ist jedoch teuer und sehr energieaufwändig. In den vergangenen Jahren sind weitere Materialien2,3 auf den Markt gekommen, die einen nachhaltigeren Ansatz bieten, aber trotz ihrer vielen Vorteile bezüglich ihrer Effizienz nicht mithalten können. Hybrid-Halogenid-Perowskite (HHP) haben die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen, nicht nur wegen ihres steilen Anstiegs des Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung in den letzten zehn Jahren (bis zu 26,7%4 im Jahr 2024), sondern auch wegen der Verwendung kostengünstiger lösungsbasierter Verarbeitungsmethoden. Trotz ihrer Beliebtheit ist der Entstehungsmechanismus von HHP noch nicht vollständig erforscht. Diese Arbeit zielt darauf ab, mehr Klarheit darüber zu schaffen, wie sich HHPs aus einer Lösung bilden, und konzentriert sich darauf, wie das verwendete Lösungsmittel mit den Vorstufen interagiert, bevor der Perowskit gebildet wird. Aus diesem Grund wurde die Vorläuferlösung von MAPbI3 (MA+= CH3NH3+) mit vier gängigen Lösungsmitteln untersucht, die zur Herstellung von Perowskit-Schichten verwendet werden: γ-Butyrolacton (GBL), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO) und Mischungen davon. Da sich bei HHPs die Bandlücke ändert, wenn die Zusammensetzung angepasst wird,5 wurde auch die Wirkung des Ersatzes von I- durch Br- und Cl- und des Ersatzes von MA+ durch FA+ (HC(NH2) 2+) und Alkalimetalle (Na+, K+, Rb+, Cs+) untersucht. Für die Untersuchung der Vorläuferlösungen war die Kleinwinkel-Röntgenstreuung die Methode der Wahl, da sie die Größe, Form, Wechselwirkung und den durchschnittlichen Abstand zwischen den Streuobjekten in Lösungen im Bereich von 0,5 - 100 nm bestimmen kann. Die mit SAXS erzielten Ergebnisse lassen sich durch ein Kern-Schale-Modell erklären, bei dem der Kern ein [PbI6] ist, das als einzelner Oktaeder oder als eckenteilender Oktaeder angeordnet sein kann und die Schale von zufällig orientierten Lösungsmittelmolekülen gebildet wird. Wenn das A-Kation molekular ist (FA+, MA+), hat es keinen Einfluss auf die Anordnung der Streuobjekte. Bei einem anorganischen A-Kation hingegen, sind die [PbI6]-Oktaeder benachbarter Streuobjekte von einer Lösungsmittelschale mit Molekülen oder von einer A-Kationenschale umgeben. Die SAXS-Ergebnisse zeigten eine höhere Polydispersität in den Proben mit einem anorganischen A-Kation, was mit dem vorgeschlagenen Modell übereinstimmt. Der Austausch von I- gegen Br- begünstigt die Anordnung eines einzelnen Oktaeders im Kern, während bei Verwendung von Cl- als Halogenid keine Anzeichen für eine Agglomeration in der Vorläuferlösung zu erkennen sind.
