Zuverlässige Charakterisierung elektronischer Defekte in Metallhalogenid-Perowskiten mittels fortgeschrittener photophysikalischer Methoden

• Antragsteller: Dr. Chris Dreessen
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576639778

Halogenid-Perowskit-Solarzellen gehören zu den vielversprechendsten Photovoltaiktechnologien der nächsten Generation, sowohl allein als auch in Tandems mit Silizium. Bemerkenswert ist, dass sie außergewöhnliche optoelektronische Qualität mit Niedrigtemperatur-Produktionsbedingungen verbinden, die normalerweise viele kristalline Defekte verursachen. Solche Defekte erzeugen oft elektronische Rekombinationszentren innerhalb der Bandlücke, an denen Ladungsträger verloren gehen. Die Rekombination über diese Zentren lässt sich vollständig durch drei Parameter beschreiben: die Dichte der Rekombinationszentren, ihre energetische Lage sowie die Einfangraten für Elektronen und Löcher. In der Praxis ist die zuverlässige Bestimmung dieser Parameter in Perowskiten jedoch eine große Herausforderung. Ihre geringe Dotierung und hohe Ionendynamik machen konventionelle Charakterisierungsmethoden anfällig für Artefakte, und es existiert bislang kein etabliertes Protokoll, das alle Parameter der Rekombinationszentren eindeutig auflöst. Dieses Projekt schließt diese Lücke, indem es das erste umfassende, experimentell validierte Messprotokoll zur Charakterisierung von Rekombinationszentren in Perowskiten entwickelt. Es baut auf unserer bisherigen Arbeit auf, die gezeigt hat, dass ein hoher Dynamikbereich in zeitaufgelöster Photolumineszenz (TRPL) und stationärer Photolumineszenz (ssPL) entscheidend für die Modellierung der Rekombinationsdynamik ist. Der Ansatz passt drei aktuelle Methoden an die spezifischen Materialeigenschaften von Perowskiten an und integriert sie: (1) TRPL-ssPL, (2) Multipuls-TRPL und (3) Photo-Hall-Messungen. Multipuls-TRPL nutzt Sequenzen von Laserpulsen, um sowohl stationäre als auch transiente Rekombinationsdynamik zu untersuchen und so direkt Ladungsträgerdichten und Parameter der Rekombinationszentren zu bestimmen. Photo-Hall-Messungen ergänzen dies durch die Bestimmung der polaritätsaufgelösten Ladungsträgerkonzentrationen und -lebensdauern. Durch die Anwendung aller drei Techniken auf identische Proben wird ein vollständiges, kreuzvalidiertes Bild der Rekombinationsprozesse entstehen. So kann das mathematische Modell identifiziert werden, das Perowskite am besten beschreibt, und der Ursprung ihrer außergewöhnlichen optoelektronischen Qualität aufgeklärt werden. Schließlich werde ich durch gezielte Variation der Filmstöchiometrie die Parameter der Rekombinationszentren mit ihren chemischen Ursprüngen verknüpfen und so defektspezifische Strategien für höhere Effizienz und Stabilität ermöglichen. Das Projekt wird damit die systematische Nachverfolgung technologischer Fortschritte ermöglichen, elektronische Parameter gezielt mit spezifischen chemischen Defekten verknüpfen, neue Einblicke in die Ursachen der Instabilität geben und erklären, warum Perowskite eine so hohe Leistung erreichen; und damit auch die Suche nach anderen kostengünstigen, hochqualitativen Halbleitermaterialien anleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen