Ab-initio-Simulationen des Ionentransports in Blei-Jodid-Perowskiten bei endlicher Temperatur

• Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529594215

Bleihalogenid-Perowskite sind vielversprechend als aktive Schichten für optoelektronische Bauelemente der nächsten Generation. Perowskit-basierte Bauelemente weisen jedoch eine erhebliche Leistungsverschlechterung auf - sowohl reversibel als auch irreversibel - über einen weiten Bereich von Zeitskalen, und dies ist derzeit das Haupthindernis für ihre großtechnische Anwendung. Man geht davon aus, dass die Degradationserscheinungen eng mit der Tatsache zusammenhängen, dass Bleihalogenid-Perowskite im Gegensatz zu herkömmlichen anorganischen Halbleitern, die in der Optoelektronik verwendet werden, eine erhebliche Ionenleitfähigkeit aufweisen. Obwohl der Ionentransport in solchen Materialien bereits ausführlich erforscht wurde, erschweren die Existenz zahlreicher mobiler Spezies sowie die starke Abhängigkeit der Bauelementeigenschaften von der Herstellungsmethode das detaillierte Verständnis und die weitere Entwicklung. Zwar wurden Berechnungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, um die verschiedenen Aspekte dieses komplexen Problems zu entschlüsseln, jedoch sind die berechneten Daten sehr widersprüchlich. Diese Situation wurde kürzlich mit der fehlerhaften Anwendung statischer Methoden (d. h. bei null Kelvin) auf die Untersuchung des Ionentransports in Bleihalogenid-Perowskit-Phasen erklärt, die nur bei endlichen Temperaturen stabil sind. In diesem Projekt werden wir Simulationen bei endlicher Temperatur auf der Grundlage von DFT-Berechnungen durchführen, um den Ionentransport sowohl in den niedrigsymmetrischen Grundzustands-Phasen von Blei-Halogenid-Perowskiten als auch in den Phasen mit höherer Symmetrie zu untersuchen, die sie bei Betriebstemperaturen von Bauteilen annehmen. Insbesondere werden wir molekular-dynamische Simulationen und beschleunigte Freie-Energie-Sampling-Methoden kombinieren, um zuverlässige Diffusionskoeffizienten für alle enthaltenen Ionenspezies als Funktion der Temperatur zu erhalten. Durch den Vergleich unserer Ergebnisse mit Literaturdaten beabsichtigen wir, Klarheit in dieses Thema zu bringen. Unsere dynamischen Simulationen werden auch Einblicke in verschiedene grundlegende offene Fragen im Zusammenhang mit dem Ionentransport in Blei-Halogenid-Perowskiten geben, z. B. die Rolle der Symmetrie und den Einfluss der Rotationsdynamik organischer Kationen in hybriden organisch-anorganischen Verbindungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen