Rasterkraftmikroskop mit Glovebox-Cluster

• Fachliche Zuordnung: Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547891568

Wir beantragen hiermit eine Glovebox mit integriertem Rasterkraftmikroskop (AFM). Das Instrument soll dafür benutzt werden, selbstorganisierende Monolagen (SAMs) zu untersuchen, welche für den Einsatz in Perowskit-Solarzellen (PSCs) geeignet sind; sowie das Sammeln von Ladungsträgern in diesen Solarzellen durch effektive Oberflächenpassivierung zu maximieren. Halid-Perowskite sind ein vielversprechender Kandidat für die nächste Generation an Solarzellen. Obwohl der Wirkungsgrad von PSCs heutzutage sogar mit etablierten Silizium-Solarzellen konkurrieren kann, ist ihre vergleichsweise relativ geringe Langzeitstabilität sowie Bedenken bezüglich der Toxizität des häufig eingesetzten Bleis der Flaschenhals, der diese vielversprechende Technologie an der Markteinführung hindert. Diese Probleme zu lösen ist das Hauptaugenmerk der Forschung in unserer Arbeitsgruppe. SAMs sind ein mächtiges Werkzeug zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Grenzflächen in PSCs und zur Verbesserung der Stabilität und Effizienz in diesen Solarzellen. Sie können dafür genutzt werden, den Energieunterschied zwischen den einzelnen Schichten zu optimieren, strahlungslose Rekombination sowie Hysterese zu reduzieren sowie Defekte an den Grenzflächen zu passivieren. Sie können auch die klassischen Elektronen- und Lochleiterschichten ersetzen, welche in PSCs genutzt werden. Wir planen das AFM in zwei Projekten zu verwenden. Im ersten Projekt wollen wir AFM-Messungen als eine Charakterisierungsmethode verwenden, um verschiedene Eigenschaften von SAMs - z.B. deren Topographie, den Energieunterschied zu angrenzenden Schichten, oder die Mobilität der Moleküle bei hohen Temperaturen - zu untersuchen, welche relevant für den Einsatz in PSCs sind. Hierfür wird ein AFM benötigt, welches eine möglichst hohe Auflösung erzielt, Messungen des Oberflächenpotentials mit Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) ermöglicht sowie das Heizen der Probe während der Messung erlaubt. In unserem zweiten Projekt planen wir Leitfähigkeits- bzw. Photoleitfähigkeitsmessungen mit dem AFM auf PSCs mit verschiedener Oberflächenpassivierung durchzuführen. Zu diesem Zweck muss das Instrument in der Lage sein, die Probe von unten zu beleuchten sowie Leitfähigkeitsmessungen mit C-AFM durchzuführen. Die Ergebnisse werden uns dabei helfen, die Rekombination an Grenzflächen in PSCs zu verringern und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Für beide Projekte muss das Instrument in einer Glovebox integriert sein, da Halid-Perowskite empfindlich gegenüber vielen intrinsischen und extrinsischen Faktoren, wie z.B. Feuchtigkeit und Sauerstoff, sind. Alle Experimente sollen in enger Zusammenarbeit mit unserer Gruppe am HZB sowie der Arbeitsgruppe von Prof. Kühnle an der Universität Bielefeld durchgeführt werden. Unser Ziel ist es, unser Wissen bezüglich der Synthese, Charakterisierung und Simulation von PSCs zu kombinieren, um einen Beitrag zu leisten, diese vielversprechende photovoltaische Technik zur Marktreife zu bringen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Rasterkraftmikroskop mit Glovebox-Cluster
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität Bielefeld
• Leiter: Professor Antonio Abate, Ph.D.