Solarzellenabsorber auf Basis von ferroelektrischen Relaxoren

• Antragsteller: Professor Dr. Doru Constantin Lupascu
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406710712

Solarzellenabsorber müssen für eine hohe Leistungsfähigkeit eine Reihe von Bedingungen erfüllen: passende Bandlücke, hohe Ladungsträgermobilität und -lebensdauer, eine Austrittsarbeit, die an die angrenzenden selektiven Transportschichten angepasst ist, und ein geeignetes Lichtmanagement. Zur Verhinderung von Ladungsrekombination, muss in klassischen Halbleitern ein großer Aufwand zur Reinigung des Halbleiters erfolgen, um Punkt- und andere Defekte auf ein minimales Maß zu reduzieren. Vor Kurzem haben wir gezeigt, dass die hervorragenden Eigenschaften der neuen Halogen-Hybrid-Perovskite auf eine starke Abschirmung der Ladungsträger zurückzuführen ist. Klassische Beiträge zum Polaron werden durch einen dipolaren Abschirmmechanismus ergänzt und erlauben den Ladungsträgern, frei über große Distanzen transportiert zu werden, ohne dass sich kleine Polaronen (energetische Zustände tief im Inneren der Bandlücke) bilden. Ferner kommt es so zu vernachlässigbaren Wechselwirkungen mit Punktdefekten, wie Leerstellen und Fremdatomen. In diesem Antrag transferieren wir diese Erkenntnis auf bestimmte oxidische Perovskite, die Relaxoren, die auch zwei getrennte Dipolarmechanismen zeigen. Polare Nanoregionen (PNRs) sowie klassische Fröhlich-Polaronen tragen unabhängig zur Abschirmung bei. Wir gehen davon aus, dass somit eine vergleichbare Leistungsfähigkeit des Absorbers bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer und Robustheit der Materialien erzielt werden kann. Das Projekt zielt darauf ab, die Bandlücke eines bekannten Relaxor-Systems, PbFe_0.5Nb_0.5O_3 (PFN) mit Eg = 1eV, auf die für das Solarspektrum optimalen 1,3 eV zu erhöhen. Die Vielseitigkeit der Perovskite erlaubt es, die Bandlücke und die Austrittsarbeit durch Dotierung anzupassen. Die leichte Dotierbarkeit lässt das Design eines Gradientenabsorbers zu, in dem die Ladungsträgertrennung über angepasste Dotierung von zwei (oder mehreren) Lagen des Absorbers selbst erfolgt. Bei gezielter Anpassung der Energieniveaus ist eine effiziente Absorption und Ladungsträgertrennung möglich. Parallel zur Konstruktion der Filme und Zellen erfolgt die Untersuchung der Bandstrukturen, der Materialstruktur und der Ladungsträgerdynamik. So werden neue technische Entwicklungen für Heterojunction-Solarzellen erzielt. Ferner erhalten wir neue Einblicke in die photovoltaischen Effekte in Relaxoren, die für eine breite Community auf dem Gebiet der Festkörperphysik von Interesse sind.Beide Teams haben Erfahrung in photovoltaischen Effekten in Perovskiten und in der Herstellung von Solarzellen, sowie einen sehr starken Hintergrund in Ferroelektrika und Relaxoren. In den letzten Jahren hat sich eine enge Kollaboration zwischen beiden Teams herausgebildet und stellt so komplementäre Expertisen für das Projekt zur Verfügung: Nanopartikelsynthese, Dünnfilmherstellung, Solarzellenentwicklung, Strukturelle Charakterisierung, Messung funktionaler Eigenschaften auf makroskopischer und lokaler Skale, dielektrische und Raman-Spektroskopie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Vladimir V. Shvartsman
• Kooperationspartner: Professor Dr. Brahim Dkhil