Konstruktionsprinzipien für elektronischen Ladungstransport in lösungsverarbeiteten, vertikal gestapelten 2D-Perowskit-Quantentöpfen
Ruddlesden-Popper-Phasenhalogenid-Perowskite sind zweidimensionale, lösungsverarbeitete Quantentöpfe und haben sich in jüngster Zeit zu hoch effizienten Halbleitern für Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von annähernd 14% entwickelt. Weitere Verbesserungen erfordern jedoch ein Verständnis der derzeit unbekannten Ladungstransportmechanismen, die durch das Auftreten stark gebundener Exzitonen noch komplizierter werden.
Perowskit-Solarzelle im HZB – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Hier stellen wir eindeutig fest, dass die dominante Photostromgewinnung durch eine feldunterstützte Elektronen-Loch-Paartrennung und den Transport über die Potenzialbarrieren erfolgt. Dies zeigt sich durch eine eingehende Gerätecharakterisierung, gepaart mit einer umfassenden Gerätemodellierung, die unsere experimentellen Erkenntnisse selbstkonsistent reproduzieren kann. Diese Erkenntnisse legen die grundlegenden Richtlinien für das molekulare und Bauteildesign für geschichtete 2D-Perowskit-basierte Photovoltaik und optoelektronische Bauelemente fest und sind für andere ähnliche quantenbegrenzte Systeme relevant.
In dieser Studie untersuchen wir durch umfangreiche Gerätecharakterisierung und -modellierung den dominanten Ladungstransportmechanismus während des Solarzellenbetriebs und identifizieren die wichtigsten Engpässe, die den Gesamtwirkungsgrad von geschichteten 2D-Perowskiten begrenzen. Die dickenabhängigen Geräteeigenschaften zeigen, dass die Absorption zwar durch eine dickere Schicht erhöht werden kann, die Gesamtleistung dann aber durch den Transport begrenzt wird. Daher erreicht der Wirkungsgrad der planaren p-i-n-Übergangszelle einen Spitzenwert mit einer Absorberdicke von 200 nm, wobei die photogenerierte Trägertrennung und der Transport durch das starke interne elektrische Feld hocheffizient unterstützt werden. Im Gegensatz zu 3D-Perowskiten nimmt die Rekombination für 2D-Perowskit-Geräte jedoch deutlich zu, sobald die Absorberdicke den kritischen Wert überschreitet. Lichtintensitätsabhängige Messungen deuten darauf hin, dass photogenerierte Ladungsträger bei Kurzschluss (SC) effizient gewonnen werden können, während die Leistung durch bimolekulare Rekombination im Niederfeldregime untergraben wird. Darüber hinaus zeigen wir, dass der elektronische Transport thermisch aktiviert ist, was darauf hindeutet, dass Ladungsträger potenzielle Barrieren überwinden müssen, bevor sie an den Kontakten gesammelt werden.
Grundvoraussetzungen für hocheffiziente PV-Geräte
Um alle Beobachtungen zu interpretieren, schlagen wir ein Modell vor, das auf gestapelten Quantentöpfen basiert, bei denen die Ladungserfassung durch den Transport über mehrere potenzielle Barrieren erfolgt, ähnlich wie bei klassischen halbleitenden Quantentöpfen. Es wird angenommen, dass die potenziellen Barrieren durch unvollkommene Stapelung der anorganischen Platten in dünnen Schichten entstehen, die organische Abstandhalter (Spacer) einführen können, die den zur zur feldabhängigen Ladungsaufnahme führenden Leitungsweg intermittierend stören. Unser Modell bildet unser experimentell beobachtetes Geräteverhalten selbstkonsistent ab und bestätigt damit, dass der entscheidende Engpass, der die Photostromabnahme begrenzt, tatsächlich die feldabhängige Ladungstrennung durch die Barrieren ist. Unsere Ergebnisse liefern die Grundvoraussetzungen für den Entwurf von geschichteten 2D-Perowskiten für hocheffiziente Photovoltaikgeräte, die eine Verbesserung der Lichtabsorption, die Entwicklung hochdotierter Kontakte zur Erleichterung einer effizienten Ladungstrennung und -sammlung für dickere Filme oder die Untersuchung des Einbaus leitender (organischer oder anorganischer) Spacer-Moleküle zur Verringerung der potenziellen Barrieren erfordern.
Auf Grundlage unserer Ergebnissen und Überlegungen stellen wir fest, dass der Hauptengpass in den geschichteten Perowskit-Quantentöpfe-Photovoltaikgeräten die feldbegrenzte Trägersammlung ist. Diese Einschränkung ergibt sich aus dem Vorhandensein mehrerer potenzieller Bohrlöcher, die ein starkes eingebautes elektrisches Feld für dickere 2D-Perowskit-Filme erfordern. Unabhängig davon, ob es sich bei dem photogenerierten Träger um einen Exziton- oder freien Träger handelt, ist ein starkes elektrisches Feld notwendig, damit die Träger die Potenzialbarriere überwinden können, bevor sie sich rekombinieren. In unserer Analyse berücksichtigt die Größe der potenziellen Barriere alle Effekte, die mit der Exzitonen-Bindungsenergie verbunden sind. Da ein solcher phänomenologischer Ansatz durch die Tatsache bestätigt wird, dass das Modell drei unabhängige experimentelle Daten (d.h. Intensität, Feldabhängigkeit und Temperaturabhängigkeit) selbstkonsistent erklären kann, können wir den Mechanismus darstellen, ohne explizit auf die genaue Art der Träger zu verweisen.
Möglichkeiten verbesserter Gestaltung von 2D-Perowskit-Strukturen
Zusammenfassend haben wir auf der Grundlage unserer Ergebnisse den wichtigsten Engpass für den Ladungstransport für vertikal gestapelte, geschichtete Perowskit-Quantentöpfe-Photovoltaikgeräte identifiziert, die durch Rekombinationsverluste von Ladungsträgern über potenzielle Barrieren hinweg entstehen. Diese Ergebnisse bieten Möglichkeiten für eine verbesserte Gestaltung von 2D-Perowskit-Strukturen, bei denen eine weiträumige vertikale Packung zur Erleichterung von Leiterbahnen erreicht werden kann, die zu einer Verringerung der Anzahl potenzieller Barrieren führt. Alternativ kann die Dotierung der organischen Abstandshalter zur Reduzierung des dielektrischen Kontrastes dazu führen, dass die potenziellen Barrieren für einen effizienten Ladungstransport gesenkt werden. Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit die nächsten Schritte zur Umsetzung solcher Strategien leiten wird, die diesen grundlegenden Engpass für den Transport in 2D-Perowskites überwinden und zu hocheffizienter Photovoltaik und anderen optoelektronischen Geräten führen könnten.
->Quellen:
- nature.com/s41467-018-04430-2
- Hsinhan Tsai, Reza Asadpour, Jean-Christophe Blancon, Constantinos C. Stoumpos, Jacky Even, Pulickel M. Ajayan, Mercouri G. Kanatzidis, Muhammad Ashraful Alam, Aditya D. Mohite & Wanyi Nie: Design principles for electronic charge transport in solution-processed vertically stacked 2D perovskite quantum wells, in Nature Communications, volume 9, Artikelnummer: 2130 (2018) – doi:10.1038/s41467-018-04430-2