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Modellierung und Charakterisierung von neuartigen optoelektronischen Bauelementen

Schematische Darstellung der Prozesse in einem photoaktiven gemischt ionisch-elektronischen Halbleiter

Auf einen Blick

Beschreibung

Im Projekt Defect Engineering, Advanced Modelling and Characterization for Next Generation Opto-Electronic-Ionic Devices (OptEIon) untersuchen wir das Zusammenspiel von Elektronen- und Ionenleitfähigkeit in Metall-Halogenid-Perowskit-Halbleitern. Wir planen, Proben zu präparieren, das transiente optoelektronische Verhalten zu charakterisieren und die Effekte elektronischer und ionischer Defekte durch Modellierung der Bauelemente zu verstehen. Schließlich wollen wir die gemischt ionisch-elektronische Leitfähigkeit in neuartigen Bauelementen zur Anwendung bringen.

Perowskit-Solarzellen haben aufgrund der hohen Wirkungsgrade (>25%) und der einfachen Präparationsmethoden großes Interesse auf sich gezogen. Der Grund für diese beeindruckenden Ergebnisse ist die hohe Toleranz des Perowskit-Halbleiters gegenüber Defekten. Andererseits leiden Perowskit-Solarzellen und -LEDs unter Instabilitäten, die teilweise durch mobile Ionenladungen verursacht werden. Diese Ionen stammen von Kristalldefekten (z. B. Leerstellen, wie in der Abbildung oben links dargestellt). Abgesehen davon, dass sie ein Stabilitätsproblem darstellen, beeinflussen mobile Ionen die optoelektronische Reaktion des Bauelements, z. B. durch Drift beim Anlegen einer Spannung. Dies führt zu einer verzögerten Reaktion, die z. B. in einer Hysterese bei der Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie oder in unkonventionellen Merkmalen in der Impedanzspektroskopie sichtbar wird.
Im Rahmen dieses Projekts wollen wir das Zusammenspiel zwischen ionischer und elektronischer Leitfähigkeit weiter charakterisieren. Wir planen die Herstellung von Perowskit-Filmen, die Charakterisierung ihrer Abhängigkeit von Spannung und Beleuchtung und die Verwendung von Bauelementesimulationen zur Extraktion physikalischer Parameter. Um Einblicke in die nanoskopischen Prozesse zu erhalten, planen wir, AFM-basierte Spektroskopietechniken zu verwenden. Auf der Simulationsseite wollen wir evaluieren, ob und inwieweit die physikbasierte Modellierung durch Ansätze auf Basis von maschinellem Lernen ergänzt werden kann.

Das Ziel dieses Projekts ist es, die Wirkung mobiler Ionen zu kontrollieren und sie als Modulator von Verlustprozessen in Solarzellen oder in neuartigen Bauelementen zu nutzen. Ein potentieller Kandidat sind memristive Bauelemente. In solchen Bauteilen hängt die Leitfähigkeit von der Historie des Bauteils ab, zum Beispiel davon, wie viel Strom in der Zeit davor durch das Bauteil geflossen ist. Solche Bauelemente könnten für zukünftige Rechenverfahren wie das neuromorphe Computing interessant werden.

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