Kontrolle interner und externer Grenzflächen in 2D Perowskiten zur Überwindung der intrinsischen Anisotropie des Ladungstransports in Solarzellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anna Köhler; Professor Dr. Mukundan Thelakkat
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423895689

Im gemeinsamen Projekt von Köhler und Thelakkat fragen wir, wie die Dimensionalität von Perowskiten durch Modifikation der internen Grenzflächen und wie die Extraktion der Ladungen durch Modifikation externer Perowskit–Lochleitergrenzflächen kontrolliert und beeinflusst werden können. Das Ziel ist Solarzellen zu erhalten, die langzeitstabil sind und einen verbesserten vertikalen Ladungstransport zu den Elektroden zeigen. Im ersten Teil untersuchen wir den anisotropen Ladungstransport durch 2D Perowskite, da diese hochstabilen Schichtmaterialen unter schlechtem vertikalen Ladungstransport aufgrund der isolierenden organischen Zwischenschichten leiden. Zur Verbesserung werden wir organische halbleitende Ammoniumkationen, die zur Klasse der Diketopyrrolopyrrole (DPP) gehören, synthetisieren und einbauen. Diese fügen sich in die kristalline Struktur der 2D Perowskite ein und tragen zum Ladungstransport und zur Lichtabsorption bei. Insbesondere werden die molekularen Energieniveaus und -lücken dieser DPP-Kationen relativ zur Bandlücke der anorganischen Schicht maßgeschneidert. Dadurch adressieren wir die grundlegende Frage, wie die elektronisch aktive organische Schicht die Quantentopfstruktur und dadurch die Absorption und den darauf folgenden Energie- oder Ladungstransfer modifiziert. Im zweiten Teil betrachten wir die externe Grenzfläche zwischen dem 2D Perowskiten und der p-Typ Ladungsextraktionsschicht. Hierfür synthetisieren wir neue dotierte p-Typ Extraktionsschichten mittels Coverdampfen verschiedener Redoxdotanden und Lochleiter, um den Dotierungsgrad zu kontrollieren, um unspezifische Oxidation an der Luft zu vermeiden und um eine einheitliche Verteilung des Dotanden im Lochleitermaterial zu gewährleisten. Das kann die Verwendung einer geringeren Dotierung ermöglichen sowie eine definierte Grenzfläche mit verbesserter Ladungsextraktion. Diese wohlkontrollierte Herstellung von p-Typ Schichten ermöglicht die Untersuchung spektroskopischer und energetischer Eigenschaften dieser Materialien als Funktion des Dotierungsgrades. Wir untersuchen, ob die Dotanden einen Einfluss auf die Breite der Zustandsdichte, das Auffüllen von Fallen, die Ausbildung eines Fermi-Niveaus und das Wesen des Ladungstransports sowie auf die resultierende Ladungsträgermobilität haben.Beides, die neuartigen 2D Perowskite und die p-Typ Schichten werden in eine Solarzelle mit p-i-n Struktur eingebaut, um die Implikationen unseres innovativen Ansatzes zu evaluieren und zu verstehen. Die Photophysik adressiert sowohl die Wechselwirkungen von Anregungsenergien zwischen den organischen und den anorganischen Schichten, als auch die Synergie von Ladungstransport und Ladungsextraktion in der Solarzelle. Wir fragen ob eine verbesserte Ladungsextraktion durch die dotierten p-Typ Schichten tatsächlich die Rekombination in den 2D Perowskitfilmen reduziert, und dadurch die Bauteileffizienz erhöht, und ob diese neuartigen 2D Perowskitmaterialien die Lebensdauer der Bauteile erhöhen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2196: Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung