Festkörper-µ-MAS- und Dünnfilm-NMR-Spektroskopie an hybriden organisch/anorganischen, photovoltaischen Perowskit-Materialien

• Antragstellerin: Dr. Helen Grüninger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Analytische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426490040

Aufgrund einer möglichen Anwendung als Alternative zu herkömmlichen Siliziumsolarzellen haben im vergangenen Jahrzehnt hybride organisch / anorganische Blei-Halogenid-Perowskite (APbX3) enormes Interesse erworben und erreichen derzeit hervorragende Wirkungsgrade bis zu 23%. Durch die flexible Struktur ist eine weite Bandbreite an chemischen Zusammensetzungen inklusive gemischter Kationen- und / oder gemischter Halogenidsysteme möglich. Zudem sind inzwischen eine Reihe unterschiedlicher Synthesewege und Behandlungen der resultierenden Perowskite bekannt, die neben der chemischen Zusammensetzung die Morphologie, Partikelgröße und kristallographischen Defekte in den Perowskitmaterialien beeinflussen. Diese strukturellen Änderungen auf verschiedenen Ebenen haben oft verflechtete Auswirkungen auf die optoelektronischen Eigenschaften der resultierenden dünnen Perowskit-Filme, die Materialgeometrie, die in Solarzellen verwendet wird. Systematische Studien sind jedoch verglichen mit dem enormen Parameterraum selten, und fehlen praktisch unter in-situ Arbeitsbedingungen von Solarzellen, d.h. unter Belichtung. Umfassende strukturelle Untersuchungen auf atomarer Ebene sind jedoch essentiell um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten um zukünftige Synthesestrategien und optimale chemische Zusammensetzungen für höchste Wirkungsgrade der Bleihalogenid-Perowskite gezielt zu lenken.Dieses Projekt widmet sich daher der Aufgabe diese Lücke für eine Reihe gemischter organisch/anorganischer Bleihalogenid-Perowskite in Dünnschichtgeometrien zu schließen. Hierfür wählen wir die NMR-Kristallographie, da sie komplementäre Informationen auf der lokalen atomaren Ebene zusätzlich zur Fernordnung bietet, und daher die optimale Methodik für systematische strukturelle Untersuchungen ist. Die Entwicklung und Implementierung eines Dünnfilm-MAS-NMR-Probenkopfs auf Basis von Mikrospulenkonstruktionen wird die direkte Messung von Dünnschichtgeometrien ermöglichen. Darüber hinaus sollen Lichtquellen sowohl in Bulk-, als auch in Dünnfilm-MAS-NMR-Probenköpfen installiert werden, um das strukturelle Verhalten einer Reihe von Perowskit-Zusammensetzungen und Morphologien in-situ unter Lichteinstrahlung überwachen zu können. Wir erwarten die Kernfragen, wie Punktdefekte, Kationen- oder Halogenidordnung bzw. -fehlordnung, sowie die strukturelle Reaktion auf Lichteinstrahlung, die optoelektronischen Eigenschaften beeinflussen, für eine Reihe von photovoltaischen Perowskit-Hochleistungsmaterialien zu beantworten. Der Vergleich von Bulk- und Dünnschicht-Proben wird weiterhin Einblick in den Einfluss von Synthese- und damit Kristallisationsbedingungen gewähren. Insgesamt werden die gewonnenen strukturellen Einblicke in Hochleistungs-Perowskitmaterialien unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen schließlich auf wichtige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen hinweisen können, welche helfen werden zukünftig Perowskit-Materialien hinsichtlich ihrer Anwendung in Solarzellen maßzuschneidern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeber: Professor Dr. Arno Kentgens