Photoluminescence of 2D and quasi-2D perovskites
Creators: name: Kaiser, Milian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: 2D
quasi-2D
perovskite
low-dimensional
photoluminescence
excitons
free charge carriers
exciton-exciton annihilation
energy funneling
time-resolved photoluminescence
cryogenic

description: In den letzten Jahren wurden Perowskite, insbesondere 2D- und Quasi-2D-Perowskite, in Bereichen wie Photovoltaik, Leuchtdioden und Lasertechnik intensiv erforscht. Diese Arbeit soll einen Einblick in die grundlegende Photophysik der angeregten Zustände dieser Materialien nach einer Anregung durch Laserlicht geben und als Anleitung zur Interpretation der emittierten Photolumineszenzspektren dienen. Zunächst werden reine 2D-Perowskite in der Ruddlesden-Popper-Phase unter Verwendung von Phenethylamin (PEA) als Spacermolekül ($PEA_{2}PbI_{4}$) und der Dion-Jacobson-Phase unter Verwendung von 1,4-Phenylendimethanamin bei verschiedenen Temperaturen und mit einer gepulsten und einer Dauerstrich-Laserquelle bei unterschiedlichen Anregungsintensitäten untersucht. Während bei beiden Materialien die exzitonische Emission bei allen gemessenen Temperaturen dominiert, werden für Temperaturen unterhalb von 140 K zusätzliche Peaks in den Emissionsspektren beobachtet. Im Ruddlesden-Popper-Material werden bei 5 K zwei Peaks mit einem Energieabstand von 40,3 meV beobachtet, wobei der Peak mit der höheren Energie den freien Exzitonen und der mit der niedrigeren Energie den gebundenen Exzitonen (gebunden durch ein Fehlstelle) zugeschrieben wird. Bei hohen Anregungsintensitäten dominiert die Emission der gebundenen Exzitonen die Gesamtemission. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Exziton-Exziton-Annihilierung die Emission der freien Exzitonen stark unterdrückt, während die Emission der gebundenen Exzitonen kaum beeinträchtigt wird. Dieser Effekt ist im Dion-Jacobson-Perowskit weniger ausgeprägt. In beiden Materialien kann die Emission von $PbI_{2}$-Einschlüssen bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden. Anschließend werden die Emissionseigenschaften verschiedener Quasi-2D-Materialien untersucht. Im Gegensatz zu 2D-Perowskiten, deren angeregte Zustände nur aus Exzitonen bestehen, zeigen Quasi-2D-Perowskite Emission von Exzitonen, freien Ladungsträgern oder sogar von beiden. Durch Analyse der zeitaufgelösten Photolumineszenz, der Quanteneffizienz und der anfänglichen Photonenemissionsdichte kann die Mischung der angeregten Zustände bestimmt werden. Die Emissionseffizienz von freien Ladungsträgern nimmt mit der Anregunsintensität zu, während die von Exzitonen abnimmt. Es wird ein einfaches Modell von zwei nicht wechselwirkenden Populationen von Exzitonen und Ladungsträgern in getrennten Teilvolumina des Films vorgestellt, das alle Beobachtungen in dieser Arbeit beschreibt. Die Emissionscharakteristiken hängen stark von dem in der Perowskitlösung verwendeten Spacer-Molekül und dessen Konzentration ab. Hohe Konzentrationen von Butylamin führen zu 100 % Emission von Exzitonen, die auf 7 % Exzitonenemission und 93 % freie Ladungsträgeremission bei Perowskiten mit niedrigen Konzentrationen von 1-Naphthylmethylamin Spacermolekülen zurückgeht. Schließlich wird auf der Grundlage dieser Beobachtungen eine Messtechnik eingeführt, bei der zwei Anregungspulse mit steuerbarer Verzögerung und ein USB-Spektrometer, das die zeitintegrierten Spektren aufzeichnet, verwendet werden, um die Geschwindigkeitskonstanten sowie den Anteil der Emission von Exzitonen und freien Ladungsträgern zu ermitteln. Diese Methode ist wesentlich schneller und kostengünstiger als herkömmliche Zeitaufgelöste-Messmethoden der Photolumineszenz. Die Robustheit und Schnelligkeit dieser Methode ist potenziell sehr interessant für den Einsatz in einer Fertigungslinie für photovoltaische 3D-Perowskit-Absorberschichten und ebnet so den Weg von der Forschung zur Anwendung.