A-Site modifizierte Hybrid-Perowskite: Engineering der chemischen Zusammensetzung und Rolle der Korngrenzen auf die optoelektronischen Eigenschaften

Hybride Blei-Halogenid Perowskite basierend auf einer Mischung von A-substituierten Verbindungen haben aufgrund ihrer erhöhten Stabilität im Vergleich mit der Basis-Verbindung Methylammonium Blei Iodid ((H₃C-NH₃)PbI₃) großes Aufsehen erhalten. Dieses Projekt behandelt das fundamentale Verständnis der Bildung, der Kristallisation und des Engineerings der Korngrenzen in lösungs-prozessierten, A-Site modifizierten hybriden Alkylammonium Blei Iodid Perowskiten. Über einen integrierten Ansatz aus Synthese, Prozessierung und Modellierung werden funktionale Perowskit-Tinten mit optimaler Kristallitgröße und Lösungsmittelzusammensetzung entwickelt (AK Mathur). Diese werden zu Absorberschichten in Solarzellen verarbeitet und deren optoelektronische Eigenschaften bestimmt (AK Meerholz).

Um die synergistischen Effekte von Multi-Kation Perowskit Strukturen auf die elektronischen Eigenschaften zu verstehen, sind detaillierte Informationen zur Rolle und Position der verschiedenen A-Site Kationen und der Kristallsymmetrie (Stabilität) essentiell notwendig. Wegen der chemischen und strukturellen Freiheitsgrade im Design von hybriden Perowskiten (ABX₃ ⇒ (A₁,A₂,A₃,..)(B₁/B₂/B₃)(X₁, X₂, X₃,…)₃) schlagen wir vor, die A-Site systematisch zu variieren, da sie wesentlich für die strukturellen Parameter (Toleranzfaktor) und die optische Bandlücke verantwortlich sind.

Die Forschungsaufgaben, die wir uns im Rahmen des Projekts gesetzt haben, zielen auf folgende Aspekte ab: (i) Formulierung von Tinten basierend auf A-Site modifizierten Perowskiten mit der allgemeinen chemischen Zusammensetzung ((A₁,A₂,A₃,A₄)PbI₃) in Zusammenhang mit Studien in Lösung (²⁰⁷Pb nuclear magnetic resonance, und electro-kinetic sonic amplitude (konzentrierte Lösungen) und dynamic light scattering (verdünnte Lösungen), um daraus Rezepte für ein kontrolliertes Kristallwachstum und neue Lösemittelmixturen zur präzisen Kristall-Engineering zu entwickeln, (ii) Kontrolle des Film-Wachstums auf einer Oberfläche unter gleichzeitiger Kontrolle von Korngrenzen in einfach- und mehrfach-Schichten, (iii) Untersuchung der Transport-Eigenschaften als Funktion der Kristallit- bzw. Domänengröße, (iv) detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Nukleation und Schichtwachstum einerseits und ihres Einflusses auf den intergranularen bzw. intragranular Ladungstransport von Perowskit-Materialien andererseits, (v) Validierung der experimentellen Daten mittels DFT-Rechnungen, und schließlich (vi) Herstellung von Dünnschichtsolarzellen und Bestimmung des Einflusses von Lösungsmittel, Abscheidungsmethode und Prozessbedingungen auf die Bauteilperformance und Stabilität.

Insgesamt werden durch unseren interdisziplinären Ansatz, welcher Synthesis, Anwendung, und Modellierung umfasst, neue Einsichten über das Nukleationsverhalten von Perowskit Kristallen mit A-Site Variation in Tinten erhalten (RG Mathur), ein vertieftes Verständnis über die Filmbildung und die optischen und Transporteigenschaften erhalten (RG Meerholz), welche durch DFT Modellrechnungen zu Defekten und dem Transport über Korngrenzen hinweg validiert werden (RG Choi).