Verständnis der Auswirkungen von biaxialer Spannung auf den Ionentransport in Perowskit-Cäsium-Blei-Halogeniden

• Antragsteller: Matthew J. Wolf, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546857271

Die Perowskit-Bleihalogenide (PBH) gehören zu den am intensivsten untersuchten Materialien des letzten Jahrzehnts, vor allem wegen ihrer hervorragenden Leistungsfähigkeit als aktive Schichten in kostengünstigen, in Lösung gefertigten photovoltaischen Zellen. Sie werden als die "Hochleistungshalbleiter des armen Mannes" bezeichnet und sollen eine "neue Ära der lösungsgefertigten Elektronik" einläuten. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern weisen sie jedoch einen wesentlich höheren Grad an Ionentransport auf und sind aufgrund ihrer kleinen Elastizitätskonstanten und großen Wärmeausdehnungskoeffizienten viel anfälliger für mechanische Verformungen. Beide Eigenschaften wirken sich entscheidend auf die Leistung von PBH aus, vor allem auf ihre Stabilität, die das größte Hindernis für den kommerziellen Einsatz darstellt. Vor diesem Hintergrund besteht das Hauptziel dieses Projekts darin, ein umfassendes Verständnis des Einflusses biaxialer Spannungen, denen PBH bei der Herstellung der Bauelemente und bei Änderungen der Umgebungstemperatur unter Betriebsbedingungen zwangsläufig ausgesetzt sind, auf den Ionentransport in den PBH CsPbBr(3−x)Ix, wobei x=0,1,2,3 ist, zu entwickeln. Mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) werden die Beziehungen zwischen dem biaxialen spannungsinduzierten Dehnungszustand und den freien Aktivierungsenergien des durch Leerstellen vermittelten Kationen- und Anionensprungs bestimmt. Diese Größen werden im Rahmen eines kinetischen Modells zur Berechnung von Diffusionstensoren verwendet, die eine direkte Zuordnung zwischen den dem Ionentransport zugrunde liegenden Prozessen auf atomarer Ebene und ihren makroskopisch messbaren Auswirkungen als Funktionen der Dehnung ermöglichen. Darüber hinaus sollen im Rahmen dieses Projekts die folgenden wissenschaftlichen Fragen beantwortet werden: Wie wirkt sich die Spannung auf die Perowskit-Phasenstabilität der Materialien aus? Wie wirkt sich die Spannung auf die Bildungsenergien und damit auf die Gleichgewichtskonzentrationen von Ionenlücken aus? Was sind die strukturellen Prädiktoren für den Ionentransport, und wie werden sie durch Spannung verändert? Im Rahmen dieses Projekts werden daher die grundlegenden quantitativen Beziehungen zwischen Spannung, Struktur, Ionenleerstandskonzentrationen und Transport in PBH auf der Grundlage quantitativer Berechnungsdaten nach ersten Prinzipien ermittelt. An solchen Daten mangelt es derzeit noch, und sie werden dazu beitragen, dass diese vielversprechende Klasse funktioneller Materialien ihr volles Potenzial entfalten kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen