„Grundlage für rationale Konstruktionsregeln“

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Absolute Energieniveau-Positionen in Perowskiten auf Zinn- und Bleibasis

Eine interessante Eigenschaft von Metallhalogenid-Perowskiten, für viele Anwendungen wichtige und vielversprechende Materialien für zukünftige optoelektronische Anwendungen, ist die Abstimmbarkeit der Bandlücke*) durch Kompositionstechnik. Während experimentelle Berichte über Veränderungen in der Absorption oder Photolumineszenz eine recht gute Übereinstimmung für verschiedene Verbindungen zeigen, sind die physikalischen Ursachen dieser Veränderungen, nämlich die Variationen in der Valenz- und Leitungsbandposition, nicht gut charakterisiert. In einem in nature communications erschienen Artikel bestimmen Forscher (Shuxia Tao et.al.) aus Eindhoven und Köln die Ionisationsenergie- und Elektronenaffinitätswerte aller primären zinn- und bleihaltigen Perowskite unter Verwendung von Photoelektronenspektroskopiedaten, unterstützt durch First-Principles-Berechnungen und eine straffe Analyse.

Perowskit-Solarzelle im HZB-Institut für Si-PV – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Sie zeigen, dass Energiepegelschwankungen in erster Linie durch die relativen Positionen der Atomenergieniveaus von Metallkationen und Halogenidanionen bestimmt und in zweiter Linie durch die Wechselwirkungsstärke zwischen Kation und Anion beeinflusst werden. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verständnis der elektronischen Struktur dieser Materialklasse dar und bilden die Grundlage für rationale Konstruktionsregeln bezüglich der Energetik in der Perowskit-Optoelektronik.

Ihr Schlussstatement: „Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir durch die Kombination von Messungen der Photoelektronenspektroskopie und DFT-Berechnungen einen konsistenten und vollständigen Satz absoluter Energieniveaus aller primären zinn- und bleibasierten Halogenidperowskite bereitgestellt haben. Wir haben die physikalische Herkunft der beobachteten Trends in Bezug auf Ionisationsenergie, Elektronenaffinität und Bandlücken durch eine ausgefeilte Analyse auf der Grundlage eines einfachen, eng verbundenen Modells geklärt. Es wurden wichtige Faktoren identifiziert, die für die Bestimmung der absoluten Energieniveaus eine Schlüsselrolle spielen. Dies sind die effektiven Atomenergieniveaus von Metallkationen und Halogenidanionen, ihre Hybridisierungsstärke sowie strukturelle Variationen wie Größe und Verformung des Kristallgitters. Diese Studie liefert daher die Grundlage, um Schnittstellen in optoelektronischen Anwendungen zu optimieren und das Energieniveau von komplexeren (gemischten) Halogenidperowskiten weiter zu entwickeln.“

*) Der physikalische Begriff Bandlücke(siehe: solarify.eu/bandluecke)  bezeichnet den Abstand zwischen dem Valenz- und Leitungsband eines Halbleiters und ist verantwortlich für seine Absorptionsfähigkeit. Das hängt damit zusammen, dass die Energie von Photonen größer als die Bandlücke sein muss, damit das Photon vom Halbleiter aufgenommen werden kann. Diese Aufnahme oder Absorption erfolgt dabei durch die Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren. Die Bandlücke wird als Größe in Elektronenvolt (eV) angegeben. Dabei unterscheidet man zwischen Halbleitern, Nichtleitern und Leitern mit den folgenden durchschnittlichen Bandlücken:

            • Halbleiter: Bandlücke zwischen 0 und 3 eV
            • Nichtleiter: Bandlücke ist größer als 3 eV
            • Leiter: Bandlücke fehlt vollständig

          ->Quelle: