Entwicklung von Struktur, Ionenwanderung und Defekteigenschaften während der (Ent-)Mischung von Bleihalogenid-Perowskiten verstehen (DE-MIX)

• Antragstellerinnen: Dr. Helen Grüninger; Professorin Dr. Anna Köhler, seit 12/2022
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506642499

Halogenidperowskite gelten derzeit als eine der vielversprechendsten Halbleitermaterialien für die nächste Generation von Solarzellen. Aufgrund ihrer strukturellen Flexibilität Mischungen verschiedener Halogenide einzubauen, ist die Bandlückenenergie gemischter Perowskit-Zusammensetzungen leicht anpassbar, so dass hocheffiziente Tandem-Solarzellen hergestellt werden können. Bei Lichteinwirkung zeigen die gemischten Halogenid-Perowskite jedoch ein starkes Entmischungsverhalten ihrer Ionen auf. Diese Entmischung führt zu einer Verschlechterung der optoelektronischen und apparativen Leistung der Perowskite und entsprechender Solarzellen, was derzeit ihre erfolgreiche Kommerzialisierung behindert. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, die komplexe strukturelle Dynamik, die während der (Ent-)Mischung von Halogenidperowskiten auftritt, umfassend zu verstehen, um ihre Phasenstabilität zu verbessern und gleichzeitig ihre hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften zu erhalten. Zu diesem Zweck werden wir physikalische MAPbI3-MAPbBr3-Gemische mit wohldefinierten morphologischen, sowie Bulk- und Oberflächen-Defekteigenschaften, z.B. durch die Verwendung von Additiven, herstellen und sie systematisch Temperatur- und/oder Lichteinwirkung aussetzen, um Mischungs- und anschließende Entmischungsprozesse zu initiieren und zu steuern. Diese Prozesse werden in-situ mit leistungsstarken und komplementären Charakterisierungsmethoden untersucht, d.h. mit einer Kombination aus XRD, NMR und PL-Spektroskopie. Die multimodalen in-situ-Messungen und die entsprechenden Analysen werden es uns ermöglichen, detaillierte Erkenntnisse über die zeitliche Entwicklung relevanter Parameter wie Stöchiometrie, Defektdichten, Eigenschaften angeregter Zustände und Bildung von Zwischenphasen zu gewinnen.Wir werden evaluieren, welche Rolle die Morphologie, die verschiedenen Arten von Defekten (an der Oberfläche und im Bulk) und mögliche Zwischenphasen mit erhöhter thermodynamischer Stabilität für die Ionendiffusionslängen und -wege spielen. Dies wird es ermöglichen, ein klares Verständnis der kinetischen und thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten der Ionenwanderung und damit der (Ent-)Mischungsprozesse in gemischten Halogenidperowskiten zu entwickeln. Damit werden relevante Materialeigenschaften, die die Reversibilität und Irreversibilität von (Ent-)Mischungsprozessen bestimmen, deutlich werden. Das vorgeschlagene Projekt wird somit wesentlich dazu beitragen, ein grundlegendes Verständnis der Auswirkungen von Morphologie, Defekteigenschaften und Additiven auf die Ionenmigration und die Phasenstabilität von gemischten Halogenidperowskiten zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2196: Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Arno Kentgens
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Fabian Panzer, bis 12/2022