Transiente Photolumineszenz mit hoher Dynamik

Eine wichtige offene Frage auf dem Gebiet der Halogenid-Perowskit-Photovoltaik besteht darin, Erklärungen für die hohe Lumineszenz-Quantenausbeute und die langen Ladungsträgerlebensdauern zu finden. Wir zeigen, dass das Abklingen der transienten Photolumineszenz, das mit einem hohen dynamischen Bereich gemessen wurden, im Allgemeinen dem Potenzgesetz folgt und die abgeleiteten, differenziellen Ladungsträgerlebensdauern mit der Ladungsträgerdichte über Größenordnungen variieren und Hunderte von Mikrosekunden überschreiten können.

Weitere Informationen finden Sie hier: Yuan et al. Nature Materials 23, 391–397 (2024), https://www.nature.com/articles/s41563-023-01771-2

Mobilitäts-Lebensdauer-Produkt aus transienter Photolumineszenz

Wir haben eine Technik entwickelt, mit der sowohl die Rekombination als auch der Transport mit einer einzigen Messung bestimmt werden können. Dabei verwenden wir eine neuartige Methode zur Analyse der Reabsorption von Photonen und folglich der Peakverschiebung der transienten Photolumineszenz. Wir messen das Spektrum der transienten Photolumineszenz als eine Funktion der Zeit. Das Spektrum verschiebt sich mit der Zeit leicht zu niedrigeren Photonenenergien. Die Geschwindigkeit dieser Verschiebung ist ein Indikator dafür, wie schnell die Elektronen und Löcher diffundieren, um ein räumlich homogenes Profil in Abhängigkeit von der Schichttiefe zu erzeugen. Durch den Vergleich der Spitzenverschiebung als Funktion der Zeit mit Simulationen können wir auf die Mobilität der Ladungsträger schließen. Aus der Abklingrate der gesamten Photolumineszenz können wir auf die Lebensdauer schließen. Das Produkt aus beiden Größen ergibt dann das Produkt aus Mobilität und Lebensdauer, eine nützliche Kennzahl für den Ladungstransport in Halbleitern.

Weitere Informationen finden Sie hier: Yuan et al. Science Advances 11, eadt1171 (2025), https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adt1171

Bayes'sche Inferenz (Bayesian inference)

In vielen Situationen in der Photovoltaik ist das Vorwärtsproblem der Simulation eines Experiments mit den Materialparametern relativ einfach (es gibt entsprechende Software), während das Rückwärtsproblem der Ermittlung der Materialparameter anhand des Experiments extrem zeitaufwendig ist. Dies liegt an der großen Anzahl von Unbekannten (oft > 10 unbekannte und wichtige Parameter) und der Tatsache, dass das Vorwärtsmodell die numerische Lösung von drei gekoppelten Differentialgleichungen ist. Da man das Vorwärtsmodell nicht analytisch invertieren kann, bestand die einzige traditionelle Lösung darin, das numerische Modell an die Daten anzupassen. Dies ermöglichte es uns jedoch nicht, das Vertrauen in die Anpassung zu quantifizieren, mehrdimensionale Regionen mit ähnlicher Anpassungsqualität in einem hochdimensionalen Parameterraum zu identifizieren und ergänzende Messungen auf algorithmische Weise zu ermitteln.

Die Bayes'sche Inferenz oder Bayes'sche Parameterschätzung sind Methoden, deren Anwendung auf die Photovoltaik derzeit noch in den Kinderschuhen steckt, da es nur eine Handvoll Veröffentlichungen dazu gibt. Der von uns verfolgte Ansatz besteht darin, neuronale Netze mit Surrogatmodellen und Optimierungsalgorithmen (z. B. CMA-ES [1]) zu kombinieren. Dies ermöglicht die Auswertung einer hohen Anzahl von Simulationen, die für die Optimierung erforderlich sind. Das Verfahren besteht darin, das neuronale Netz mit >10⁵ Simulationen des Vorwärtsproblems zu trainieren (was Stunden bis Tage dauert) und dann den Optimierungsalgorithmus das neuronale Netz anstelle der Software zu nutzen, die die Differentialgleichungen löst. Dadurch wird der Optimierungsprozess 5 Größenordnungen beschleunigt (etwa 10⁴ Parameterkombinationen pro Sekunde können mit dem neuronalen Netz auf einem normalen Laptop ausgewertet werden). So können Optimierungsalgorithmen in der Regel innerhalb von Sekunden bis Minuten ein Optimum finden und einen so großen Teil des Parameterraums abdecken, so dass weitere statistische Analysen durchgeführt werden können.

Wir haben die Methode erfolgreich für verschiedene Arten von Experimenten (Strom-Spannungs-Kurven, transiente Photolumineszenz-Abklingvorgänge) entwickelt und sind derzeit dabei, die ersten beiden Publikationen zu dieser Anwendung zu verfassen. Ein wichtiger Zwischenschritt, insbesondere bei höherdimensionalen Problemen (viele unbekannte Materialparameter), ist es, geeignete Startbedingungen für den Optimierungsalgorithmus zu finden. Daher entwickeln wir analytische Näherungen, die bessere Startbedingungen ermöglichen und die auf einer ersten Analyse experimenteller Daten auf der Grundlage einfacher Heuristiken beruhen.

[1] https://cma-es.github.io/

Grenzflächen für verbesserte Perowskit-Solarzellen

Die kritischsten Grenzflächen in Solarzellen sind die zwischen der Absorberschicht und den Elektronen- und Lochtransportschichten. Sie haben die Aufgabe, die Majoritätsladungsträger durchzulassen und die Minoritätsladungsträger zu blockieren. Diese und ihre entsprechenden Grenzflächen tragen oft wesentlich zur Ladungsträgerselektivität des Bauelements bei und sorgen dafür, dass die Rekombinationsverluste gering, der Transport der Majoritätsträger effizient und die parasitäre Absorption minimal ist. Diese Anforderungen stehen oft im Widerspruch zueinander und führen zu der Herausforderung, eine Situation zu finden, die zu einer optimalen Gesamtleistung und Stabilität führt.

Unser Team hält mehrere Rekorde der höchsten Leerlaufspannungen und die niedrigsten Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten, die für bestimmte Halogenid-Perowskit-Zusammensetzungen bekannt sind. Die erfolgreiche Optimierung dieser Grenzflächen wurde in erster Linie durch die hohe Qualität der im Team angewandten Charakterisierungstechniken ermöglicht, die beispielsweise in dieser Publikation beschrieben sind.

Liu et al., Open-Circuit Voltages Exceeding 1.26 V in Planar Methylammonium Lead Iodide Perovskite Solar Cells, ACS Energy Letters 2019 4 (1), 110-117 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b01906

Liu et al., Interface Optimization via Fullerene Blends Enables Open-Circuit Voltages of 1.35 V in CH₃NH₃Pb(I_0.8Br_0.2)₃ Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003386. https://doi.org/10.1002/aenm.202003386

Tian et al., Quantifying the Energy Losses in CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells with an Open-Circuit Voltage of up to 1.45 V, ACS Energy Letters 2022 7 (11), 4071-4080; http://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01883

Photothermal Deflection Spectroscopy (PDS)

Die photothermische Deflektionsspektroskopie basiert auf der Beleuchtung einer Probe, die sich in einer mit einer Flüssigkeit gefüllten Küvette befindet. Das Licht erwärmt die Probe und folglich auch die Flüssigkeit. Die Flüssigkeit muss so gewählt werden, dass ihr Brechungsindex von der Temperatur abhängt. Somit haben wir nun einen lichtinduzierten Temperaturgradienten in der Flüssigkeit. Der rot dargestellte Laserstrahl wird dann durch den absorptionsbedingten Brechungsindexgradienten abgelenkt, der von einem Photodetektor erfasst wird. Die vom Photodetektor erfasste Ablenkung ist direkt proportional zur Menge des absorbierten Lichts und damit zum Absorptionsgrad der Probe. Wenn die Dicke bekannt ist, kann auch der Absorptionskoeffizient mit einem hohen dynamischen Bereich von etwa 4 Größenordnungen ermittelt werden.

Transient photoluminescence

Die aus der Messung der transienten Photolumineszenz (PL) gewonnenen Erkenntnisse haben zu einem besseren Verständnis der Rekombination und des Transports in einem breiten Spektrum von Halbleitern beigetragen. Die transiente Photolumineszenz ist attraktiv, weil sie kontaktlose Messungen von Filmen auf Glas, Schichtstapeln oder kompletten Bauelementen ermöglicht und dabei Prozesse auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen untersucht. Sie ermöglicht insbesondere die Analyse der verschiedenen Rekombinationsprozesse, die in photovoltaischen Absorbermaterialien ablaufen und die die Leerlaufspannung und damit den Wirkungsgrad von Solarzellen aus diesen Materialien maßgeblich bestimmen. Die Analyse der Transienten ist jedoch aufgrund der Vielzahl von nichtlinearen Effekten, die zur Form der Transienten beitragen, eine Herausforderung. Jüngste Arbeiten konzentrierten sich auf die Kombination von transienten Photospannungs- und Photolumineszenzmessungen, um ein Verständnis der allgemeinen Bedeutung der Abklingzeiten sowie der Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen elektrisch und optisch erfassten Transienten zu entwickeln.

Krückemeier, L., Liu, Z., Krogmeier, B., Rau, U., & Kirchartz, T. (2021). Consistent Interpretation of Electrical and Optical Transients in Halide Perovskite Layers and Solar Cells. Advanced Energy Materials, 11(n/a), 2102290. doi:https://doi.org/10.1002/aenm.202102290