Metallhalogenid-Perowskite sind faszinierende Halbleiter, an denen erst seit zehn Jahren für Anwendungen in Solarzellen und LEDs geforscht wird. In dieser Zeit wurden Wirkungsgrade von Solarzellen erreicht, die mit den etablierten Solarzellentechnologien mithalten können. Aufgrund der einfachen und energiearmen Herstellungsprozesse arbeiten Startup- und etablierte Unternehmen an einer Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen. Allerdings ist die Langzeitstabilität immer noch eine Herausforderung, die teilweise durch Verkapselungstechnologien angegangen werden kann. Andererseits hängen gewisse Schwachstellen mit eher Perowskit-inhärenten Eigenschaften zusammen, wie beispielsweise mobile Ionengitterdefekte, die sich im Betrieb bewegen und das elektrische Feld im Bauelement beeinflussen.

In diesem Projekt beabsichtigen wir, solche Defekte besser zu charakterisieren, zu modellieren, zu kontrollieren und nutzbar zu machen. Dafür stellen wir Solarzellen im Labormassstab her. Zur Charakterisierung verwenden wir optoelektronische Messungen wie Strom-Spannungs-Kurven und Impedanzspektroskopie in Abhängigkeit von Lichtintensität und Temperatur. In einem optischen Aufbau führen wir Photo- und Elektrolumineszenzmessungen an dünnen Schichten und kompletten Bauelementen durch. Über diese makroskopischen Messungen hinaus entwickeln wir Messungen auf der Nanoskala, die auf spitzenverstärkter Spektroskopie beruhen. Um die Daten dieser Experimente zu reproduzieren, wird Modellierung eingesetzt. Hier verwenden wir verfügbare Drift-Diffusions-Simulationen, wie sie in Setfos der Fluxim AG implementiert sind. Zusätzlich wollen wir, auch im Rahmen des DIZH, untersuchen, wie maschinelle Lernansätze unsere physikalischen Modelle ergänzen können.

Mit Hilfe unserer Simulationen werden wir memristive Bauelemente entwerfen und herstellen, die als Kandidaten für zukünftiges neuromorphes Computing gelten. Im Gegensatz zu den Solarzellen befinden sich diese neuartigen Bauelemente noch im Stadium der Grundlagenforschung.

Zum jetzigen Zeitpunkt charakterisieren wir Solarzellenproben von Partnern an der EPFL. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen von Oberflächenbehandlungen besser zu verstehen, die eingesetzt werden, um Leistungsverluste aufgrund von Defekten zu verringern und die Langzeitstabilität zu verbessern. Neben der Stabilität sind Perowskit-Solarzellen mit einem weiteren Problem konfrontiert, nämlich der Toxizität des verwendeten Elements Blei. Hier arbeiten wir mit Chemikern der LMU (Ludwig-Maximilians-Universität) in München zusammen. Sie entwickeln alternative Perowskit-Materialien, bei denen das Bleikation durch zwei andere Metallkationen ersetzt wird, wodurch sogenannte Doppelperowskite entstehen. Allerdings weisen diese Bauelemente bisher einen Wirkungsgrad von nur wenigen Prozent auf. Durch spannungsabhängige Messungen der spektralen Empfindlichkeit konnten wir feststellen, dass ein wesentlicher Verlustmechanismus an den Kontakten liegt, die nicht ladungsselektiv sind. Das bedeutet, dass bei hohen Spannungen sowohl negative als auch positive Ladungsträger am selben Kontakt gesammelt werden, was zu Strömen führt, die sich gegenseitig kompensieren und die Ausgangsleistung reduzieren.