Flache Dotierungen und Kompensationszentren in Antimontriselenid

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Eduard Lavrov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513760901

In den letzten Jahren hat Antimontriselenid (Sb2Se3) zunehmend Aufmerksamkeit als vielseitiger Chalkogenid-Halbleiter für Anwendungen in Photovoltaik, photoelektrochemischen Zellen, Photodetektoren, Thermoelektrika, Batterien und Phasenwechselmaterialien erlangt. Unter diesen Anwendungen zeichnet sich Sb2Se3 besonders als effizienter, umweltfreundlicher, stabiler und kostengünstiger Absorber für Dünnschicht-Solarzellen aus. Fortschritte in Synthese und Bauelemententwicklung haben die Leistungsumwandlungseffizienz von Sb2Se3-Solarzellen in den letzten zehn Jahren von etwa 1% auf über 10% gesteigert. Defekte und Verunreinigungen spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit von Halbleitermaterialien. Ein prominentes Beispiel sind CdTe-Dünnschicht-Solarzellen, bei denen die gezielte externe Dotierung mit Cu, Cl, O und S die Effizienz von etwa 2% in den frühen 1990er Jahren auf rund 23% erhöhte. Im Gegensatz dazu ist die Defektphysik von Sb2Se3 weitgehend unerforscht. Sb2Se3 ist oft elektrisch isolierend, was eine Kontrolle der Leitfähigkeit verhindert – ein entscheidendes Kriterium für praktisch alle Anwendungen. Es ist unklar, welche nativen Defekte, Verunreinigungen oder Defektkomplexe zur Ladungsträgergenerierung beitragen und welche als Fallen oder Rekombinationszentren wirken. Das vorliegende Projekt und dessen geplante Fortsetzung zielen darauf ab, diese Wissenslücke zu schließen. Das Hauptziel des Fortsetzungsprojekts ist, ein grundlegendes Verständnis der Art und des Verhaltens von flachen Dotierstoffen und kompensierenden Defektkomplexen in einkristallinem Sb2Se3 mittels optischer und elektrischer Spektroskopie zu erlangen. Die Arbeiten konzentrieren sich auf fünf technologisch relevante Elemente: Chlor, Cadmium, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel. Basierend auf den Ergebnissen der vorhergehenden Projektphase erhalten die ersten drei Elemente höchste Priorität: Chlor und Cadmium identifiziert als effiziente Donor- bzw. Akzeptordotierungen für kontrollierbare und stabile n- und p-Leitfähigkeit, sowie Wasserstoff, der als allgegenwärtige Verunreinigung p-Leitfähigkeit passivieren kann. Die Defektuntersuchungen behandeln spektroskopische Signaturen, elektrische Aktivität, thermische Stabilität, kinetisches Verhalten sowie Wechselwirkungen von Dotierstoffen und Defektkomplexen mit intrinsischen Punktdefekten. Durch die Aufklärung dieser Mechanismen wird das Projekt das fundamentale Verständnis der Defektphysik in Sb2Se3 erweitern und die wissenschaftliche Grundlage für die Verbesserung antimonchalkogenidbasierter Materialien in der Photovoltaik und anderen aufkommenden Anwendungen stärken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen