Mikrostrukturelle Eigenschaften polykristalliner Methylammoniumbleiiodid-Dünnschichten und ihr Einfluss auf die Funktionsweise von Solarzellen
Creators: name: Leonhard, Tobias
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Perowskit-Solarzellen
Ferroelektrische Domänen
Mikrostruktur
Rasterkraftmikroskopie
Piezoresponse Force Microscopy
Elektronenrückstreubeugung
Kornorientierung
Dünnschicht-Solarzellen

description: Perowskitsolarzellen stellen einen vergleichsweise jungen Solarzellentyp dar, dessen Entwicklung und Optimierung jedoch innerhalb weniger Jahre in rasantem Tempo erfolgte und in aktuellen Wirkungsgraden von über 25% resultiert. Als Ursache für diesen beispiellosen Aufstieg der Organik-Metallhalogenid-(OMH)-Perowskite gilt neben deren außergewöhnlich vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich des Ladungsträgertransports eine fortlaufend verbesserte Mikrostruktur der polykristallinen Schichten. Trotz der bislang erzielten Fortschritte und intensiver Forschungsarbeiten ist das derzeitige Verständnis solcher mikrostrukturellen Merkmale und deren Wirkung auf die Funktion der Solarzelle allerdings recht fragmentarisch. Das liegt zum einen an der Komplexität dieses kristallinen Materialsystems, zum anderen herrscht für manche der beobachteten Phänomene Uneinigkeit über deren Entstehung und Einfluss auf den Ladungsträgertransport. An dieser Forschungslücke setzt die vorliegende Arbeit an, in der mikrostrukturelle Eigenschaften von polykristallinen Methylammoniumbleiiodid-Dünnschichten (MAPbI3) analysiert werden, um einzelne, anhand komplementärer Messtechniken ermittelte Merkmale miteinander in Bezugzu setzen und dadurch ihren Nachweis zu validieren. Es gelingt damit im Rahmen dieser Arbeit, mithilfe der Piezoantwort-Kraft-Mikroskopie (PFM) die in der Literatur diskutierten Domänenstrukturen nachzuweisen sowie diese auf Basis einer umfassenden Analyse auf ihren ferroelektrischen Ursprung zurückzuführen. So zeigt der ortsaufgelöste Abgleich mit der Kristallorientierung die für perowskitische Ferroelektrika typische Übereinstimmung der Ausrichtung der Polarisationsachse mit der Lage der Einheitszelle. Die für diesen Nachweis notwendige Kenntnis über die lokal hochaufgelöste Orientierung einzelner Kristalle geht auf die erstmals an MAPbI3 gelungene Implementierung von Elektronenrückstreubeugung zurück. Sie ermöglicht außerdem, den Einfluss der Kornorientierung als wesentliches Element für die Ausprägung spezifischer Oberflächenpotentiale zu identifizieren, wobei letztere - ganz im Zeichen von Ferroelektrika - in Abhängigkeit unterschiedlicher Polarisationskomponenten einer zusätzlichen Modulation unterliegen können. Darüber hinaus wird im Rahmen der Arbeit die Dauer des in jeglichen Herstellungsprozessen angewandten Ausheizschrittes als wesentliche, die Mikrostruktur prägende Triebkraft entschlüsselt. In Abhängigkeit der Ausheizdauer gelingt es, die Ausprägung unterschiedlicher Domänenformen und Polarisationsorientierungen zu steuern und dadurch die Entstehung von Domänen sowie deren Entwicklung zu energetisch stabilen Zuständen nachzuverfolgen. Es zeigt sich, dass letztere innerhalb der kristallinen MAPbI3-Dünnschichten für lateral polarisierte Domänen erreicht sind, die - mit einer typischen Domänenbreite von D = 90nm - in Form lamellarer Zwillingsstrukturen mechanische Verspannungen sowie polarisationsinduzierte Aufladungen kompensieren. Gleichzeitig geht die Formierung derartiger Strukturen mit einer (110)-Textur der Probe einher. Da sich diese Zwillingsdomänen aus Domänen mit dominanter vertikaler Polarisationskomponente entwickeln, stehen für die Analyse zur Auswirkung von Ferroelektrizität in Solarzellen somit erstmals zwei verschiedene mikrostrukturelle Zustände zur Verfügung. Anhand des Verlaufs der Stromdichte-Spannungskurve bestätigen sich die aus einer Simulation prognostizierten Verbesserungen der Solarzellen, wenn in der MAPbI3-Dünnschicht lateral polarisierte, lamellare Domänen vorliegen. Diese können dann Rekombinationsverluste reduzieren und tragen im Vergleich zu vertikalen Domänen zu einem hohen Füllfaktor und effizienten Solarzellen bei. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über die mikrostrukturellen Eigenschaften der polykristallinen MAPbI3-Dünnschichten, der darauf beruhende Nachweis des ferroelektrischen Ursprungs von Domänenstrukturen sowie die Befunde zu deren Rolle in der Funktionsweise von Solarzellen liefern damit einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Wirkweise und möglicher weiterer Optimierungspotentiale von Perowskitsolarzellen.