Magnetresonanz-Techniken zur Untersuchung von Solarmaterialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan Behrends; Professorin Dr. Anna Köhler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446281755

Spinabhängige Prozesse beeinflussen die Effizienz organischer Solarzellen und lichtemittierender Dioden in entscheidender Weise. Dennoch gibt es aktuell eine Reihe offener Fragen bezüglich der Rolle der Spins. Infolge der geringen Spin-Bahn-Wechselwirkung in organischen Materialien haben Spin-Auswahlregeln einen großen Einfluss auf die Eigenschaften photoangereger Zustände. Darüber hinaus gab es im Laufe der letzten Jahre große Fortschritte hinsichtlich der Entwicklung von organisch/anorganischen Perowskiten. Diese Hybridmaterialien ermöglichen die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen mit beeindruckender Leistungsfähigkeit. Es deutet vieles darauf hin, dass der Spinfreiheitsgrad auch in diesen Materialien einen starken Einfluss auf die photophysikalischen Prozesse hat. Die Eigenschaften von Spins werden somit in unterschiedlichen Zusammenhängen untersucht. Im Rahmen diese Projektes, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Paris (Université Paris-Sud), Versailles (Université Versailles Saint-Quentin), Grenoble (Institut Néel), Bayreuth (Universität Bayreuth) und Berlin (Freie Universität Berlin) beteiligt sind, werden wir uns vornehmlich mit zwei Aspekten beschäftigen: Singulettspaltung, d.h. die Aufspaltung eines Singulett-Exzitons in zwei Triplett-Exzitonen, sowie spinabhängige Prozesse in dünnen Perowskit-Schichten. Mittels breitbandiger und zeitaufgelöster optisch detektierter magnetischer Resonanz- (ODMR-) Spektroskopie werden wir durch Singulettspaltung erzeugte Bi-Exzitonen mit einem Gesamtspin S = 2 (Quintett-Zustände) auf mikroskopischer Ebene untersuchen. Diese Experimente werden es uns ermöglichen, die Bi-Exzitonen hinsichtlich ihrer räumlichen Position, der intraexzitonischen Wechselwirkung und ihrer Fluoreszenzeigenschaften zu untersuchen. Die räumliche Auflösung von ODMR-Experimenten wird mit dem Ziel verbessert, einzelne Paare aus Triplett-Exzitonen detektieren zu können. Die Ergebnisse dieser Experimente dienen als Grundlage für theoretische Untersuchungen zur elektronischen Struktur von Bi-Exzitonen auf molekularer Ebene.Die für Solarzellen und "Upconversion" relevanten Materialien weisen im Allgemeinen eine komplexe Morphologie auf, die sich nicht mit Hilfe makroskopischer Experimente an Einkristallen untersuchen lässt. Daher beabsichtigen wir, ein mikrofluoreszenzbasiertes ODMR-Experiment aufzubauen. Dieses wird es uns ermöglichen, die Spin-Eigenschaften von Methylammonium Bleiiodid, einem vielversprechenden Solarzellenmaterial, zu erforschen. Im Fokus steht dabei die Untersuchung von dünnen Schichten. Insgesamt werden wir im Rahmen des MARS-Projekts neue, spinsensitive Methoden entwickeln. Diese werden es uns ermöglichen, die Eigenschaften photoangeregter Zustände in Systemen, in denen Singulettspaltung auftritt, sowie neuartigen Materialien für die Anwendung in optoelektronischen Anwendungen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Spanien
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Stavros Athanasopoulos; Dr. Thierry Chanelière; Dr. Alexei Chepelianskii; Professor Dr. Damien Garrot