Langlebige hochenergetische Ladungsträger, kohärenter Spintransport und die Rolle von Oberflächen in Blei-Halogenid-Perowskiten

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Fauster, seit 5/2020
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395604916

Der außerordentlich hohe Wirkungsgrad von Bleiiodid-Perowskit-Solarzellen (> 22% in 2016) ist ein Durchbruch im Bereich der Photovoltaik der zweiten und möglicherweise dritten Generation. Solarzellen der ersten Generation bestehen aus kristallinem Silizium. Sie sind kommerziell erhältlich, langzeitstabil und erreichen Wirkungsgrade um 26%. Leider ist die Herstellung energie- und kostenintensiv, und der erreichbare Wirkungsgrad fundamental auf 32% begrenzt. Photovoltaik der zweiten Generation wird mit geringerem Material- und Kostenaufwand in dünnen Schichten produziert. Aufgrund der mechanischen Biegbarkeit ist ein flexiblerer Einsatz möglich. Dünnschicht-Solarzellen aus Bleiiodid-Perowskiten werden mit geringem Energieaufwand aus günstigen und verfügbaren Materialien gefertigt und erreichen auf Labormaßstab Wirkungsgrade um 22%. Ihre Serienproduktion wird bereits vorangetrieben. Zudem haben erste Messungen gezeigt, dass Bleiiodid-Perowskite Potential für den Einsatz in Solarzellen der dritten Generation haben. In Solarzellen dieser zukünftigen Generation sollen neue Funktionsprinzipien genutzt werden, um Wirkungsgrade jenseits der 32% zu erreichen, auf die Photovoltaik der ersten beiden Generationen beschränkt ist.Praktische Einsatzmöglichkeiten von Bleiiodid-Perowskit-Solarzellen sind begrenzt, da sie giftiges Blei enthalten und ihre Langzeitstabilität nur schwer zu gewährleisten ist. Dieses Projekt verfolgt komplementäre Ziele: Die einzigartigen Eigenschaften von Bleiiodid-Perowskiten auf atomarer Skala sollen entschlüsselt werden, um sie auf andere Materialien zu übertragen. Trotz der sich seit 2013 intensivierenden Grundlagenforschung ist noch immer unklar, was Bleiiodid-Perowskit-Solarzellen so effizient macht. Zusammen mit Kollaborationspartnern habe ich mehrere relevante Effekte gefunden, die zu einem hohen Wirkungsgrad beitragen können und in herkömmlicheren Materialien wie Silizium kaum beobachtbar sind: Der Rashba-Effekt lässt Elektronen entsprechend ihres Spins unterschiedlich durch Bleiiodid-Perowskite fließen. Spin ist eine Eigenschaft von Elektronen, die in gängigen Geräten noch nicht genutzt wird. Zudem speichern Bleiiodid-Perowskite die hohe Energie der blauen spektralen Anteile im Sonnenlicht etwa tausend mal länger als dies in Silizium der Fall ist. Ursache hierfür kann ebenfalls der Rashba-Effekt sein. Alternative wurde die Bildung von Polaronen vorgeschlagen, also Verzerrungen im Kristallgitter, die die Energie von Elektronen stabilisieren sollen.Im Rahmen des Projekts werden diese Effekte mittels modernster zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht und quantifiziert. Um ihren Einfluss auf Anwendungen nachzuvollziehen, werden parallel Transport-Messungen an elektronischen Bauelementen durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse können einerseits neue Anwendungsmöglichkeiten für Bleiiodid-Perowskite eröffnen, und andererseits genutzt werden, um neue Materialien für Solarzellen mit ähnlich hoher Effizienz zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Upgrade of a laser system
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Michael Bauer; Professor Dr. Christoph J. Brabec; Professor Dr. Martin Eckstein; Professor Dr. Martin Hundhausen; Professorin Dr. Janina Maultzsch; Professor Dr. Heiko B. Weber
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Daniel Niesner, bis 4/2020