Entwicklung von Perowskit-Solarzellen durch Korrelation von fortschrittlicher optoelektronischer Charakterisierung mit Herstellungsprozessparametern (DIRECT-PERO)

• Antragsteller: Sandheep Ravishankar, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539945054

Die Leistung moderner Perowskit-Solarzellen wird durch folgende Probleme beeinflusst: Erhebliche Rekombinationsverluste durch Defekte an den Perowskit/Transportschicht-Grenzflächen, sowie schlechte Ladungsextraktion resultierend aus den Transportschichten mit geringer Ladungsbeweglichkeit. Diese Verlustmechanismen werden kaum verstanden, weil (1) die Reaktion einer bestimmten Perowskit/Transportschicht-Grenzfläche nicht unabhängig von überlappenden Signalen isoliert werden kann, die auf andere Prozesse im gesamten Bauelement oder Schichtstapel zurückzuführen sind (2) keine Informationen über die Entwicklung charakteristischer Perowskit/Transportschicht-Grenzflächenparameter (z. B. Rekombinationslebensdauer und Bandversatz) in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern vorliegen. Diese Probleme verhindern die Bestimmung geeigneter Grenzflächenpassivierungsstrategien.  Die Ziele dieses Projekts sind daher: 1) Genaue Charakterisierung und Parametrisierung der spannungsabhängigen Rekombinations- und Ladungsextraktionsverluste an jeder Perowskit/Transportschicht-Grenzfläche in modernen Single-Junction Perowskit-Solarzellen. 2) Bestimmung der Entwicklung der grundlegenden Parameter dieser Verlustmechanismen in Abhängigkeit von den wichtigsten Verarbeitungsparametern bei der Herstellung, sowie Implementierung idealer Verarbeitungsparametersätze zur Herstellung hocheffizienter Perowskit-Solarzellen. Diese Ziele werden mit Hilfe der folgenden Strategie erreicht: a) Isolierung der Reaktion von jeder Perowskit-/Transportschicht Grenzfläche - Es werden Bauelemente der Form: Metall/Isolator/Perowskit/Transportschicht (MISS) und Metall/Isolator/Perowskit/Isolator (MISI) hergestellt. Ermöglicht werden soll eine klare Identifizierung der Verlustmechanismen, die an einer bestimmten Perowskit/Transportschicht Grenzfläche und im Perowskitebulklayer auftreten. b) Berechnung grundlegender Bauelementparameter an jedem Punkt der Strom-Spannungs-Kurve - Parameter wie Rekombinationslebensdauern und Ladungsextraktionsgeschwindigkeiten werden an jedem Bias-Punkt der Strom-Spannungs-Kurve bestimmt, um eine Gesamtanalyse der Verlustmechanismen zu ermöglichen. Diese Parameter werden durch die Kombination mehrerer optoelektronischer, sowie oberflächenphysikalischer Methoden und Drift-Diffusions-Simulationen gemessen und überprüft. c) Korrelation von Bauelementparametern mit Herstellungsparametern. Eine halbautomatische Herstellung von MISS- und MISI-Bauelementen in Abhängigkeit von 7 Hauptparametern der Spincoating-Verarbeitung wird durchgeführt. Die anschließende Charakterisierung ermöglicht die Bestimmung der idealen Prozessparameter, die die Verluste an den Grenzflächen zwischen Perowskit und Transportschicht minimieren. d) Implementierung der idealen Prozessparametersätze - Verwendung der Prozessparametersäte zur Herstellung hocheffizienter Single-Junction Perowskit-Solarzellen mit verschiedenen Transportschichtkombinationen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Automated spincoating setup
• Gerätegruppe: 0930 Spezialgeräte der Halbleiterprozeßtechnik