Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Prozessparametern zur Herstellung dicker und defektfreier Perowskit-Schichten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Tian Du, Ph.D.; Professor Dr. Jens Harting
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506698391

Hybride organisch-anorganische Perowskit-Materialien haben sich zu einer vielversprechenden Alternative zu Silizium-Solarzellen entwickelt. Allerdings sind die grundlegenden Eigenschaften der Filmbildungsmechanismen während des Lösungsprozesses der photoaktiven Schichten noch immer ungenügend verstanden, was die Entwicklung dicker, vertikal monolithischer Perowskitfilme mit exzellenter Halbleiterqualität erschwert. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines präzisen Modells zur Vorhersage der Filmbildung von Perowskitfilmen im Lösungsprozess, die Kontrolle über die grundlegenden Mechanismen und die anschließende Verbesserung der Filmmorphologie.Wir schlagen einen gekoppelten Ansatz vor, bei dem sich experimentelle Messungen und Simulationsergebnisse gegenseitig ergänzen. Wir werden eine In-situ-Messkammer entwickeln und einsetzen, um die Filmbildung unter kontrollierten Bedingungen zu überwachen. Parallel dazu werden wir Phasenfeldsimulationen der Keimbildung und des Wachstums von Perowskitkristallen beim Trocknen und bei der Nachbearbeitung durchführen. Dies wird einen Einblick in den Prozess der Morphologiebildung sowie in strukturelle Merkmale des getrockneten Films wie Oberflächenbedeckung, Rauheit, Kristallgrößen und Schichtbildung geben. Unser Ziel ist es, mechanistische Regeln für den Einfluss von Prozessparametern auf die endgültige Filmqualität aufzustellen. Wir werden weiterhin untersuchen, wie Nukleationskeime, die in die Lösung oder auf das Substrat eingebracht werden, zur Kontrolle der Nukleation und zur Verbesserung der Filmqualität eingesetzt werden können. Die etablierten physikalisch basierten Designregeln für die Tintenformulierung und die Prozessparameter werden genutzt, um experimentell defektfreie polykristalline Filmstrukturen zu demonstrieren, selbst für dicke Schichten und für unterschiedliche Formulierungen der Lösung. Ausgewählte Perowskit-Filme werden zu Solarzellen verarbeitet, um die Auswirkungen der Morphologieverbesserung auf die photovoltaische Qualität und Leistung zu validieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2196: Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christoph J. Brabec