Optimierung des Energietransfers und der Ladungsträgerdynamik in Perowskitsystemen für Anwendungen in der Photovoltaik und Optoelektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Josef Wachtveitl
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557840081

In der heutigen Zeit, in der der Klimawandel zu einem ernsten Problem geworden ist, gewinnen die erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Ihre weitreichende Nutzung erfordert weitere Fortschritte hinsichtlich der Materialeigenschaften und Herstellungskosten. Der Solarenergie wird das größte Potenzial unter den erneuerbaren Energiequellen zugeschrieben. Die effizientere Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität mit kostengünstigeren Materialien und einfacheren Methoden steht im Mittelpunkt der Erforschung erneuerbarer Energie. Hierbei erzielte die Entwicklung des Materials „Perowskit“ in den letzten Jahren enorme Fortschritte. Besonders Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen (PSCs) sind vielversprechende Halbleitermaterialien mit abstimmbaren optischen und elektrischen Eigenschaften, struktureller Flexibilität und kostengünstiger Herstellung. Dreidimensionale (3D) Perowskite haben innerhalb der letzten Dekade einen herausragenden Fortschritt bei der Energieumwandlungseffizienz von Solarzellen von 3,8 % auf 25,2 % gezeigt. Zweidimensionale (2D) organisch-anorganische Perowskite sind darüber hinaus für viele wichtige optoelektronische Anwendungen relevant. Die hohe exzitonische Bindungsenergie bei 2D-Perowskiten erlaubt die Verwendung bei LED-Anwendungen und zudem ist deren Stabilität in Bezug auf Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Sauerstoff, …) der von 3D-Perowskiten überlegen. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Erforschung des Potenzials spezifisch modifizierter Perowskite für ihre Anwendung in der Optoelektronik und Photovoltaik. Dies geht Hand in Hand mit einem detaillierten Verständnis der primären photochemischen Dynamik. Zu den Schlüsselaufgaben dieses Projekts gehören i) die Herstellung und Charakterisierung von maßgeschneiderten, photoresponsiven 2D- und 3D Perowskiten, ii) die Untersuchung von verschiedenen Chromophorkationen/-Kationmischungen, insbesondere unter dem Aspekt des Energietransfers und der Exzitondynamik, iii) der Vergleich von Frenkel und Wannier-Mott Exzitonen (2D) unter systematischer Energievariation bis zum Resonanzfall, iv) die Untersuchung der Polaronbildung und der Ladungsträgerdynamik in Perowskiten mit breiter Bandlücke. Das Projekt deckt einen thematisch weiten Bereich vom Ligandendesign bis zur Echtzeitbeobachtung der ultraschnellen Photodynamik ab. Es bietet den idealen Rahmen zur Entwicklung und Charakterisierung von neuen Materialien mit hoher Effizienz von spezifisch optimierten Nanostrukturen für ihre Anwendung als erneuerbare Energiequellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen