SPP 2196: Identifizierung und Unterdrückung von Grenzflächenrekombination für hocheffiziente Perowskit-Solarzellen


Halbleitende Perowskite besitzen beindruckende und außergewöhnliche physikalische Eigenschaften. Ein Schlüssel für Solarzellenanwendungen ist ihre hochfluoreszierende Natur wahrscheinlich aufgrund geringer intrinsischer Defektdichten trotz ihrer einfachen Herstellbarkeit von Lösung. In Kombination mit langen Ladungsträger-Diffusionslängen können Perowskit-Solarzellen daher einen Wirkungsgrad von monokristallinen Silizium- oder sogar GaAs-Solarzellen erreichen. Gegenwärtige Perowskit-Solarzellen erreichen jedoch normalerweise eine deutlich kleinere Leerlaufspannung als der Perowskit erlauben würde. Der Grund sind nichtstrahlende Rekombinationsverluste, die in anderen Komponenten der mehrschichtigen Solarzellenstapel auftreten. Das gilt insbesondere für Perowskit-Solarzellen in pin-Struktur bei denen die nichtstrahlende Rekombination an den Perowskit/Transportschicht (TS) Grenzflächen typischerweise 1-2 Größenordnungen größer ist als die Defektrekombination im Perowskit. Folglich ist ein umfassendes Verständnis dieses Schlüsselphänomens dringend erforderlich, um das Gebiet weiter voranzutreiben. In diesem Projekt wollen wir daher die wichtigsten Mechanismen der Grenzflächenrekombination entschlüsseln, um systematische Mittel zur Unterdrückung dieses Rekombinationsverlustes zu entwickeln. Zu den grundlegenden Fragen, die wir hier behandeln wollen, gehört die Rolle der Energieniveau-Ausrichtung zwischen dem Perowskit und der TS, und ob Grenzflächenrekombination über Defekte an der Perowskit-Oberfläche, über die Grenzfläche oder innerhalb der TS passiert. Wir setzten dabei auf komplementäre Techniken mit hoher Zeitauflösung (von ps bis us), wie z.B. transienter Photolumineszenz, transienter Absorption, und Terrahertz Spektroskopie. Mithilfe numerischer Simulationen soll ein umfassendes kinetisches Modell zur Beschreibung des Transfers und der Rekombination von Ladungen an der Grenzfläche erstellt werden und das Modell in Folge angewendet werden, um die Wirkungsweise von isolierenden Zwischenschichten zu erklären. Ein besonders wichtiger Schritt in Bezug auf die Grenzflächenenergetik wird die Bestimmung aller relevanten Energieniveaus im gesamten Mehrschichtstapel mittels Photoelektronenspektroskopie im dunklen sowie unter realistischen Solarzellenbedingungen. In Kombination mit Drift-Diffusions-Simulationen wird uns die Kenntnis der wahren Energetik im Bauteil ein umfassendes Verständnis der Solarzellenoperation ermöglichen und dabei wichtige Designstrategien für effiziente TS aufzeigen. Schließlich soll die Grenzflächenrekombination durch gezielte Dotierung der Perowskitoberfläche und Erzeugung einer Verarmungszone an der Grenzfläche unterdrückt werden und hocheffiziente (> 23%) Solarzellen demonstriert werden. Insgesamt wird unser grundlegender Ansatz das Verständnis der Grenzflächenrekombination entscheidend verbessern und dazu beitragen uns den fundamentalen thermodynamischen Wirkungsgradgrenzen weiter anzunähern.


Projektleitung
Koch, Norbert Prof. Dr. techn. (Details) (Struktur, Dynamik und elektron. Eigenschaften molekul. Systeme)

Laufzeit
Projektstart: 11/2019
Projektende: 10/2022

Forschungsbereiche
Experimentelle Physik der kondensierten Materie, Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung

Forschungsfelder
Experimentelle Physik, kondensierte Materie

Zuletzt aktualisiert 2021-15-09 um 13:50