Funktionelle Zwischenschichten für verbesserte Perowskit-Solarzellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marcus Bär; Professor Dr. Thomas Riedl
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530384961

Solarzellen auf Basis von Metall-Halid-Perowskiten markieren einen wichtigen Meilenstein für die Photovoltaik. Das Französisch-Deutsche Kooperationsprojekt ALSATIAN hat das Ziel, über die Einführung neuer funktioneller Dünnschichten die Lebensdauer hocheffizienter Perowskit Solarzellen (PSZ) signifikant zu steigern. Die Forschung an PSZ erfolgt bislang häufig mit dem Ziel der Effizienzsteigerung – Einschränkungen hinsichtlich Stabilität und Lebensdauer der so erreichten Solarzellen rücken dabei zuweilen in den Hintergrund. In dieser Hinsicht betritt das Projekt ALSATIAN Neuland, indem es Effizienz und Stabilität gleichermaßen wertet. Dabei betrachtet ALSATIAN neue Ladungstransportmaterialen, die mittels Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition (ALD)) oder Moleküllagenabscheidung (engl. molecular layer deposition (MLD)) aufgebracht werden. Angrenzend an die foto-aktive Perowskitschicht sollen diese in der Solarzelle als Ladungstransport-, Rekombinations-, oder Passivierungsschicht dienen. Mittels in situ und operando Techniken wird der Einfluss der jeweiligen Grenzflächen zur Perowskitschicht auf die Effizienz und Stabilität der resultierenden PSZ analysiert. Eine zentrale Fragestellung ist dabei die Aufklärung möglicher chemischer Wechselwirkungen des ALD / MLD Prozesses und der resultierenden Schicht mit der angrenzenden Perowskitschicht, da schädliche chemische Reaktionen eine rasche Dekomposition des Perowskitfilms auslösen oder Defektstellen ausbilden könnten, die die Funktionalität beeinträchtigen. Gelingt es allerdings, nachteilige Wechselwirkungsmechanismen zu unterbinden, dann kann die ALD / MLD Schicht eine schützende Barriere gegen extrinsische Einflüsse darstellen und gleichzeitig die Ladungsträgerextraktion verbessern sowie Defekte an der Grenzfläche passivieren. Die chemische Wechselwirkung, die während des ALD / MLD Beschichtungsprozesses an der Grenzfläche zur Perowskitschicht auftritt, wird mittels hochentwickelter Charakterisierungsmethoden, allen voran der Photoelektronenspektroskopie (PES), grundlegend analysiert. Komplementär dazu werden DFT Rechnungen verwendet, um ein tiefes Verständnis der Grenzflächenausbildung auf atomistischer Ebene zu erhalten. Darüber hinaus werden (photo-)elektrochemische Reaktionsprozesse, die unter realen Betriebsbedingungen (operando) an diesen Grenzflächen auftreten können, studiert. PES Untersuchungen mittels harter Röntgenstrahlung ermöglichen die Bestimmung der elektronischen Struktur „vergrabener“ Grenzflächen, energetischer Barrieren und einer möglichen Bandverbiegung. Zusätzlich durchgeführte (ortausgelöste) optische Spektroskopie wird es ermöglichen die Ergebnisse mit den optoelektronischen Eigenschaften des Grenzflächensystems zu korrelieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Muriel Bouttemy; Dr. Philip Schulz; Professor Dr. Yorgos Volonakis