Zusammenhang zwischen Defektdichten und Rekombinationsverlusten in Halogenid-Perowskit Solarzellen (CREATIVE)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Kirchartz; Professor Dr. Michael Saliba
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506699658

Perowskit-Solarzellen (PSC) sind eine vielversprechende Photovoltaiktechnologie, die kurz vor der Marktreife steht und deren Laborwirkungsgrad mit dem von hocheffizienten Siliziumsolarzellen vergleichbar ist. Zusätzlich zu ihrer hervorragenden Eignung als photovoltaische Absorberschichten ermöglichen Perowskite auch die Variation der Bandlücke durch Änderung der chemischen Komposition, wodurch sie zu einem attraktiven Material für den Einsatz in Tandemzellen. Aktuelle Perowskit-Solarzellen weisen jedoch erhebliche Spannungsverluste relativ zu den thermodynamischen Limits auf, die auf nicht-strahlende Rekombinationsverluste zurückzuführen sind. Diese korrelieren mit der Verteilung der Defektdichten im Perowskit-Volumen und den Grenzflächen zu den Transportschichten. Eine genaue Charakterisierung der Größenordnung dieser Defektdichten ist daher von größter Bedeutung, um die Spannungsverluste in diesen Bauelementen zu minimieren. Ihre Abschätzung mit Hilfe herkömmlicher Techniken (wie z. B. Raumladungsbegrenzungsstrom (SCLC) und Kapazitätsmethoden) wird jedoch durch die große geometrische Kapazität der Solarzellen behindert, die die Detektion der Defektdichte verhindert und eine dickenabhängige Auflösungsgrenze darstellt.In diesem Projekt verbessern wir das Auflösungsvermögen dieser Methoden, indem wir von vertikalen (Sandwich-) Bauelementen zu lateralen Bauelementen wechseln. Diese Änderung der Geometrie verringert die geometrische Kapazität des Bauelements und ermöglicht ein um mehrere Größenordnungen höheres Auflösungsvermögen zur Bestimmung der tatsächlichen Defektdichteverteilung im Bauelement. Diese Analyse wird durch eine neuartige Photolumineszenz-Methode ergänzt, mit der die Rekombinationsverluste an allen Vorspannungspunkten entlang der Strom-Spannungs-Kurve bestimmt werden können. Wir kombinieren diesen Ansatz mit der genauen Bestimmung der nicht-radiativen Rekombinationslebensdauer und der Diffusionslängen, mit einer Reihe von Methoden, welche teils im Zeitbereich (transiente Photolumineszenz (tr-PL), transiente Photospannung (TPV) und transienter Photostrom (TPC)) und teils im Frequenzbereich (intensitätsmodulierte Photostromspektroskopie (IMPS), Impedanzspektroskopie (IS)) arbeiten. Die Qualität der Analyse dieser Methoden wird durch den Einsatz von Drift-Diffusions-Simulationen und Bayes'schen Methoden zur Parameterabschätzung verbessert. Diese Charakterisierungsstrategie wird zu einer grundlegenden Korrelation zwischen experimentell gemessenen Defektdichten, Lebensdauern und den Spannungsverlusten führen, die bisher noch nicht erreicht wurde.

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