Kristallitgrößenkontrolle in organometallischen Halogenid-Perowskitmaterialien und dessen Auswirkung auf die Ionen- und Defektmigration sowie dessen elektrooptische Eigenschaften zur Anwendung in Solarzellen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anna Köhler, seit 3/2019
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395191217

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bleihalogenidperowskite wie z.B. Methylammoniumbleiiodid (MaPbI3) werden derzeit intensiv als Halbleitermaterialien untersucht, motiviert unter anderem durch die rasante Entwicklung der Effizienz von perowskit-basierten Solarzellen von nur 3% im Jahr 2012 auf über 25% heute. Trotz der beeindruckenden Entwicklung gibt es noch etliche ungeklärte fundamentale Fragestellungen. Die zentrale Zielsetzung des Projektes bestand darin, herauszufinden wie die Größe der kristallinen Domänen in Bleihalogenidperowskiten modifiert werden kann, und wie sich dies auf die Diffusion von Ionen und Defekten, und damit letztendlich auf die Effizienz von Bleihalogenidperowskitbauteilen wie z.B. Solarzellen auswirkt. Im Verlauf des Projektes fanden wir heraus, wie wir die Kristallitgröße wurde sowohl für lösungsprozessierte als auch trockenprozessierte Filme modifizieren können. Indem wir Absorptions- und Lumineszenzspektren sowie anfangs auch Röntenstrukturmessungen aufnahmen während sich der Perowksitfilm bildet (in-situ), konnten wir Rückschlüsse über die Mechanismen und Raten für die Bildung der Perowksitkristalle ziehen. Diese Wissen wurde genutzt, um die Dichte an Defekten in Perowksitfilmen zu reduzieren und dadurch bessere Solarzellen zu erzielen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• High Versatility and Stability of Mechanochemically Synthesized Halide Perovskite Powders for Optoelectronic Devices. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(33), 30259-30268.
  Leupold, Nico; Schötz, Konstantin; Cacovich, Stefania; Bauer, Irene; Schultz, Maximilian; Daubinger, Monika; Kaiser, Leah; Rebai, Amelle; Rousset, Jean; Köhler, Anna; Schulz, Philip; Moos, Ralf & Panzer, Fabian
  
• In situ investigation of light soaking in organolead halide perovskite films. APL Materials, 7(4).
  Zhong, Yu; Luna, Carlos Andres Melo; Hildner, Richard; Li, Cheng & Huettner, Sven
  
• Double peak emission in lead halide perovskites by self-absorption. Journal of Materials Chemistry C, 8(7), 2289-2300.
  Schötz, Konstantin; Askar, Abdelrahman M.; Peng, Wei; Seeberger, Dominik; Gujar, Tanaji P.; Thelakkat, Mukundan; Köhler, Anna; Huettner, Sven; Bakr, Osman M.; Shankar, Karthik & Panzer, Fabian
  
• Investigating the Tetragonal‐to‐Orthorhombic Phase Transition of Methylammonium Lead Iodide Single Crystals by Detailed Photoluminescence Analysis. Advanced Optical Materials, 8(17).
  Schötz, Konstantin; Askar, Abdelrahman M.; Köhler, Anna; Shankar, Karthik & Panzer, Fabian
  
• Investigating two-step MAPbI3thin film formation during spin coating by simultaneousin situabsorption and photoluminescence spectroscopy. Journal of Materials Chemistry A, 8(10), 5086-5094.
  Chauhan, Mihirsinh; Zhong, Yu; Schötz, Konstantin; Tripathi, Brijesh; Köhler, Anna; Huettner, Sven & Panzer, Fabian
  
• Role of PCBM in the Suppression of Hysteresis in Perovskite Solar Cells. Advanced Functional Materials, 30(23).
  Zhong, Yu; Hufnagel, Martin; Thelakkat, Mukundan; Li, Cheng & Huettner, Sven
  
• How antisolvent miscibility affects perovskite film wrinkling and photovoltaic properties. Nature Communications, 12(1).
  Kim, Seul-Gi; Kim, Jeong-Hyeon; Ramming, Philipp; Zhong, Yu; Schötz, Konstantin; Kwon, Seok Joon; Huettner, Sven; Panzer, Fabian & Park, Nam-Gyu
  
• Suppressed ion migration in powder-based perovskite thick films using an ionic liquid. Journal of Materials Chemistry C, 9(35), 11827-11837.
  Ramming, Philipp; Leupold, Nico; Schötz, Konstantin; Köhler, Anna; Moos, Ralf; Grüninger, Helen & Panzer, Fabian
  
• The Impact of Solvent Vapor on the Film Morphology and Crystallization Kinetics of Lead Halide Perovskites during Annealing. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(38), 45365-45374.
  Zhong, Yu; Seeberger, Dominik; Herzig, Eva M.; Köhler, Anna; Panzer, Fabian; Li, Cheng & Huettner, Sven
  
• Understanding Differences in the Crystallization Kinetics between One‐Step Slot‐Die Coating and Spin Coating of MAPbI3 Using Multimodal In Situ Optical Spectroscopy. Advanced Optical Materials, 9(21).
  Schötz, Konstantin; Greve, Christopher; Langen, Arjan; Gorter, Harrie; Dogan, Ilker; Galagan, Yulia; van Breemen Albert, J. J. M.; Gelinck, Gerwin H.; Herzig, Eva M. & Panzer, Fabian
  
• Using In Situ Optical Spectroscopy to Elucidate Film Formation of Metal Halide Perovskites. The Journal of Physical Chemistry A, 125(11), 2209-2225.
  Schötz, Konstantin & Panzer, Fabian
  
• How the ionic liquid BMIMBF4 influences the formation and optoelectronic properties of MAPbI3 thin films. Journal of Materials Chemistry A, 10(35), 18038-18049.
  Biberger, Simon; Schötz, Konstantin; Ramming, Philipp; Leupold, Nico; Moos, Ralf; Köhler, Anna; Grüninger, Helen & Panzer, Fabian
  
• How the Microstructure of MAPbI3 Powder Impacts Pressure-Induced Compaction and Optoelectronic Thick-Film Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 126(36), 15424-15435.
  Witt, Christina; Leupold, Nico; Ramming, Philipp; Schötz, Konstantin; Moos, Ralf & Panzer, Fabian
  
• How Methylammonium Iodide Reactant Size Affects Morphology and Defect Properties of Mechanochemically Synthesized MAPbI3 Powder. European Journal of Inorganic Chemistry, 26(8).
  Leupold, Nico; Ramming, Philipp; Bauer, Irene; Witt, Christina; Jungklaus, Jennifer; Moos, Ralf; Grüninger, Helen & Panzer, Fabian