Photolumineszenz in Halogen-Perowskit-Schichten mit flachen Defekten
Einer der Hauptgründe, warum Bleihalogenidperowskite ideale Kandidaten für photovoltaische und optoelektronische Anwendungen sind, ist die Tatsache, dass die meisten Defekte flach sind, also energetisch nahe der Bandkanten liegen. Die Möglichkeit flacher Defekte wurde von der Spektroskopie- und Bauelementphysik jedoch oft als nebensächlich angesehen. Meist wurden nur vereinfachte Gleichungen für tiefe Defekten herangezogen, um Daten zu erklären, auch wenn es mehr flache Defekte und möglicherweise mobile Ionen gibt. Die Rekombination über Defekte wurde im Allgemeinen mit linearen Abhängigkeiten von der Ladungsträgerdichte beschrieben. Betrachtet man jedoch erneut die vollständigen Gleichungen für die Rekombination über Defekte, so zeigt das Shockley-Read-Hall-Modell unmittelbar, dass die Rekombination über Defekte linear, quadratisch oder irgendetwas dazwischen mit der Ladungsträgerdichte skalieren kann. Das Verhalten eines bestimmten Defekts hängt hauptsächlich von seiner energetischen Position in der Bandlücke (flach oder tief?), der Defektdichte (trägt die Besetzung des Defekts zur Ladungsneutralität bei?) und ihrem Ladungszustand (dotiert der Defekt die Probe im Dunkeln, unter Beleuchtung oder grundsätzlich nie?).
Die Theorie der Rekombination in Halbleitern ist zwar mehr als 70 Jahre alt, wird aber auch heute noch zur Untersuchung der Rekombination in Halbleitern verwendet. Bei intrinsischen Halbleitern mit vielen flachen Defekten, mit Photodotierung und nicht-exponentiellem Zerfall hilft die Neubewertung der Theorie zu verstehen, wie Daten zur Rekombinationsdynamik der Probe analysiert werden können. Wir haben Photolumineszenz im stationären Zustand (PL-Quantenausbeute als Funktion der Lichtintensität) und transientes PL untersucht. Wir erörtern, wie das SRH-Modell in Kombination mit der Ladungsneutralitätsbedingung zu unterschiedlichen Ergebnissen für die PL-Quantenausbeute und den PL-Abfall führen kann. Wir vergleichen analytische Näherungen für bestimmte Grenzfälle (gestrichelt) mit numerischen BErechnungen der Ratengleichungen (durchgezogene Linien).
Als wichtigste Erkenntnis läßt sich das Vorhandensein von flachen Defekten aus der Abhängigkeit der jeweiligen Daten von der Ladungsträgerdichte oder der Fermi-Niveau-Aufspaltung ableiten. Insbesondere bei Zeit abhängigen Photolumineszenzmessungen beobachtet man oft das Abklingen nach dem Potenzgesetz mit wachsender differentieller Lebensdauer zu geringer Fermi-Level-Aufspaltung und gleichzeitig Lumineszenz-Quantenausbeuten, die viel kleiner als 1 sind (Rekombinationskoeffizient oberhalb krad). Dies kann leicht durch Rekombination über flache Defekte erklärt werden.
Je flacher ein Defekt in einem intrinsischen Halbleiter ist, desto schneller steigt die Rekombinationsrate mit der Anzahl der Ladungsträger an und desto mehr verhält sie sich wie die strahlende Rekombination in einem transienten Experiment. Hier wird erörtert, wie die Tiefe der Defekte die stationäre und die vorübergehende Photolumineszenz beeinflusst.
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J. Hüpkes, U. Rau, and T. Kirchartz, “ Impact of Trap Depth on the Steady-State and Transient Photoluminescence in Halide Perovskite Films.” Adv. Energy Mater. (2025): e03157. https://doi.org/10.1002/aenm.202503157