Der fortschreitende Klimawandel erfordert einen schnellen Umstieg von fossilen Brennstoffen auf regenerative Energiequellen, um den wachsenden Energiebedarf CO2-neutral zu decken. Die Photovoltaik (PV) spielt dabei als kostengünstige und skalierbare Technologie eine zentrale Rolle und ist in Deutschland bereits die zweitwichtigste Stromquelle. Perowskit-Solarzellen lassen sich besonders ressourcenschonend und kostengünstig herstellen und können als Tandem-Solarzellen verbaut werden: Hierbei werden zwei Unterzellen mit einem Photoabsorbermaterial mit niedriger Bandlücke und einem mit hoher Bandlücke kombiniert, wodurch höhere Wirkungsgrad als bei einer einzelnen Solarzelle erzielt werden können. Gerade bei begrenzt verfügbaren Flächen wie in Deutschland, sind diese hohen Wirkungsgrade von Vorteil, weil von der gleichen Fläche mehr Ertrag generiert werden kann. Aktuell leiden Perowskit-Solarzellen jedoch an Stabilitätsproblemen gegenüber Feuchtigkeit sowie innerer Zersetzung und haben geringe Lebensdauern, was den Schritt zum großflächigen, kommerziellen Einsatz verhindert.
Niedrigdimensionale Perowskite (LDPs) werden derzeit als Oberflächenpassivierungs- und Kontaktschichten für stabile Perowskit-Solarzellen untersucht. Sie weisen hervorragende optoelektronische Eigenschaften wie eine direkte, flexibel einstellbare Bandlücke auf und reduzieren effektiv die Rekombinationsrate von Elektron-Loch-Paaren an den Grenzflächen in der Solarzelle. Die hydrophobe Natur der organischen Spacer-Kationen verhindert eine feuchtigkeitsinduzierte Degradation des darunter liegenden 3D-Perowskiten und verbessert die Langzeitstabilität. Auch als Perowskit-Photoabsorber mit hoher Bandlücke für Tandem-Solarzellen sind LDPs vielversprechend. Die hohe Bandlücke entsteht hier durch Quantisierungseffekte und nicht durch die Mischung von Halogeniden, wodurch das Risiko der Phasenseparation minimiert wird. Eine der größten verbleibenden Herausforderungen in der Anwendung von LDPs ist die Kontrolle über die Ausrichtung und Dimensionalität (d. h. der Dicke der anorganischen Schicht). Insbesondere LDPs mit niedriger Dimensionalität orientieren sich vorzugsweise senkrecht zum Ladungsfluss, wobei die isolierenden Spacer-Kationen-Schichten den Ladungstransport behindern und so die Leistung der Solarzelle beschränken.
In meinem Promotionsprojekt werde ich vertikal ausgerichtete LDPs herstellen und untersuchen. Unter Beibehaltung der ausgezeichneten optoelektronischen Eigenschaften von LDPs soll dadurch der Ladungstransport parallel zur Schichtstruktur und damit durch die anorganischen, gut leitenden Schichten ermöglicht werden. Nach der Identifizierung und Optimierung entscheidender Prozessparameter wird der Bildungsmechanismus von LDPs u.a. mittels in-situ Photolumineszenzmethoden untersucht, um die Ausrichtung und Dimensionalität besser kontrollieren zu können. Vertikal ausgerichtete LDPs werden anschließend sowohl als Oberflächenpassivierungsschichten auf 3D-Perowskit-Photoabsorbern als auch phasenrein als Photoabsorber mit einer hohen Bandlücke eingesetzt. Insbesondere Letztere könnten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung fortgeschrittener Techniken wie Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen spielen.
Die zentralen Forschungsfragen des Projektes sind: Durch welche Prozessparameter kann die Ausrichtung und Dimensionalität von LDPs beeinflusst werden? Wie lassen sich vertikal ausgerichtete LDPs als Oberflächenpassivierung von 3D-Perowskit-Absorber einsetzen? Wie können reine LDPs als stabile Photoabsorber mit hoher Bandlücke realisiert werden?