Gezieltes Hochskalieren lösungsbasierter Dünnfilmherstellung von Halogen-Perowskiten, ermöglicht durch multimodale optische in-situ Spektroskopie (HOLD-MOISS)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anna Köhler, seit 11/2022
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510654404

Seit den ersten Berichten über die Verwendung von Metall-Halogen-Perowskiten als Absorbermaterial in Perowskit-Solarzellen (PSC), hat sich der Wirkungsgrad solcher Bauteile rasant auf mittlerweile 25,5 % gesteigert. Die meisten hocheffizienten PSCs wurden und werden aktuell im Labormaßstab auf Millimeterskala lösungsbasiert mittels Rotationsbeschichtung hergestellt. Um Perowskit-Dünnfilme und daraus resultierende Solarzellen im größeren Maßstab zu realisieren, sind jedoch skalierbare Methoden wie z.B. Rakeln relevant. Die Wirkungsgrade von mittels solcher Herstellungsmethoden produzierten PSCs sind aktuell aber noch klar niedriger als die von entsprechenden Zellen, die mittels Rotationsbeschichtung hergestellt sind. Diese Effizienzlücke begründet sich in Unterschieden bei den finalen Schichteigenschaften, die wiederum auf methodenabhängige Unterschiede im Perowskit-Filmbildungsprozess zurückzuführen sind. Schlüssel für die Bildung eines aktuell noch nicht bestehenden, jedoch dringend benötigten holistischen Verständnisses über die Filmbildungsprozesse von Halogen-Perowskiten ist daher die Identifikation und das Verständnis mechanistischer Unterschiede in den Kristallisationsverhalten zwischen Rotationsbeschichtung und hochskalierbaren Methoden wie z.B. Rakeln. Entsprechend ist die Entwicklung eines solchen Prozessmethoden-unabhängigen Verständnisses Ziel dieses Projekt. Dazu werden wir den genauen Einfluss der Eigenschaften der Edukt-Lösungen und Tenside auf Kristallisationsvorgänge während der lösungsbasierten einstufigen Filmherstellung des Model-Perowskiten Methylammonium-Blei-Triiodid mittels Rotationsbeschichtung und mittels Rakeln aufklären. Insbesondere adressieren wir hier die Rollen von Iodoplumbat-Komplexen in den Edukt-Lösungen, Löslichkeit des verwendeten Lösemittels, dessen Evaporationsrate und Zugabe von Tensiden, auf die Bildung des Perowskiten im Zuge der Filmbildung. Zu diesem Zwecke untersuchen wir die Filmbildungsvorgänge tiefgehend mittels multimodaler optischer in-situ Spektroskopie. Die daraus gewonnen Erkenntnisse korrelieren wir mit den Ergebnissen detaillierter Untersuchungen der strukturellen, morphologischen, als auch optoelektronischen Eigenschaften der finalen Dünnfilme. Diese Ergebnisse werden ergänzt durch die Evaluation der Funktionalität der hergestellten Schichten in Solarzellenkonfiguration. Damit wird es uns schließlich möglich sein, methodenübergreifende Strategien zur lösungsbasierten einstufigen Herstellung von Perowskit-Dünnfilmen mit maßgeschneiderten optoelektronischen Eigenschaften zu formulieren. Dies wird einen erfolgreichen Transfer von kleinskaligem Rotationsbeschichten hin zu großflächigen Rolle-zu-Rolle kompatiblen Methoden wie z.B. Rakeln oder Schlitzdüsenbeschichtung ermöglichen und damit beitragen, die Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen weiter voranzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Eva M. Herzig
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Fabian Panzer, bis 11/2022