Verständnis und Kontrolle über Defekte in Halogenidperowskiten durch defektchemische Untersuchungen in Verbindung mit optischen In-situ-Charakterisierungen und detaillierter optischer Spektroskopie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anna Köhler; Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324052211

Aufgrund ihrer hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften werden Halogenidperowskitmaterialien für viele Anwendungen wie Solarzellen, Leuchtdioden, oder in Detektoren für Licht, Röntgen- und Gammastrahlung diskutiert. Eine bemerkenswerte Eigenschaft der Halogenidperowskite ist hierbei ihre hohe Toleranz und Selbstheilungsfähigkeit gegenüber intrinsischen ionischen Punktdefekten. Dennoch können diese Defekte die optoelektronischen Eigenschaften beeinflussen und zum Beispiel dafür sorgen, dass beim Anlegen einer Potentialdifferenz Ionen durch den Halogenidperowskiten bewegt werden, was zu Effizienzverlusten und zur Degradation der Eigenschaften optoelektronischer Bauelemente, die auf Halogenidperowskiten basieren, führt. Ziel dieses Projekts ist es daher, ein tiefes Verständnis darüber zu erlangen, wie sich verschiedene Punktdefekte in Halogenidperowskiten auf deren optoelektronische Eigenschaften auswirken und zu verstehen, wie die Punktdefektkonzentrationen durch kontrollierte Modifikation der Perowskiten eingestellt werden können. Schlüssel zum Erreichen dieser Ziele ist die Verbindung von defektchemischen Untersuchungen mit optischen Messungen an Halogenidperowskitproben mit wohldefinierten Eigenschaften. Die grundlegenden Untersuchungen beinhalten das exakte Einstellen eines Iodpartialdrucks, der zu einer thermodynamisch definierten Wechselwirkung der Perowskiten mit Iod und damit zu einer vom Iodpartialdruck und der Temperatur abhängigen Gleichgewichtskonzentration an Punktdefekten führt. Ein solches Vorgehen ist bei oxidischen Perowskiten Standard. Im Vorgängerprojekt wurde auch für Methylammonium-Blei-Iodid erfolgreich nachgewiesen, dass dieses Vorgehen funktionieren kann. Die sich einstellenden Punktdefektkonzentrationen werden im beantragten Fortsetzungsprojekt über die elektrische Leitfähigkeit gemessen, während die Auswirkungen dieser Punktdefekte auf die optoelektronischen Eigenschaften direkt mittels optischer In-situ-Charakterisierungen, d.h. durch Messungen der Absorption und Photolumineszenz, studiert werden. Durch Dotierungen werden die Defektkonzentrationen zudem gezielt eingestellt, um das defektchemische Model zu verfeinern und quantitativ Bildungsenthalpien zu bestimmen. Um Aussagen über die Art der angeregten Zustände und deren Relaxation zu treffen, Defekte und Verunreinigungen zu identifizieren und die Lage der Defekte in der Bandlücke zu bestimmen, kommen leistungsfähige optische Ex-situ-Messmethoden, wie transiente Absorption, temperaturabhängige und zeitaufgelöste Messung der Photolumineszenz, sowie thermisch angeregte Lumineszenz (Thermally Stimulated Luminescence) zum Einsatz. Insgesamt soll so mit der Kombination aus In-situ- und Ex-situ-Untersuchungen, ein umfassendes defektchemisches Modell aufgestellt werden, das es erlaubt, Defektkonzentrationen gezielt einzustellen, die Auswirkungen auf die optoelektronischen Eigenschaften zu verstehen und optoelektronische Bauteile zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen