Aufklärung und Optimierung des Triplett-Exzitonen-Transfers an organisch-inorganischen Grenzflächen durch atomistische Rechnungen

Solarzellen kommt bei der Erschließung nachhaltiger Energiequellen eine Schlüsselrolle zu. Die allermeisten Solarzellen werden gegenwärtig aus Silizium gefertigt. Dessen relativ kleine Bandlücke verhindert allerdings eine effiziente Ausnutzung hochenergetischer Photonen. Die Spaltung energiereicher Singulett-Exzitonen in jeweils zwei Triplett-Exzitonen (sog. singlet fission) erlaubt im Prinzip eine deutliche Erhöhung der Effizienz. Für die praktische Umsetzung muss jedoch noch eine Reihe von Herausforderungen gemeistert werden. Eine besonders wichtige Rolle spielt dabei die Grenzfläche zwischen dem – typischerweise organischen – Singlet-Fission-Material und der eigentlichen Halbleitersolarzelle. Damit die Triplett-Exzitonen dort möglichst vollständig verstromt werden, müssen die exzitonischen Anregungen bzw. die betreffenden Ladungsträger weitgehend verlustfrei durch die Grenzfläche transferiert und deren Rekombination auf ein Minimum reduziert werden. Obwohl aktuelle Experimente die Wichtigkeit des Grenzflächendesigns eindrucksvoll unterstreichen, ist der Mechanismus des Anregungs- bzw. Ladungstransfers durch die Grenzfläche sowie seine Optimierungsmöglichkeiten noch weitgehend unverstanden. Dies motiviert das hier vorgeschlagene Theorieprojekt: Unser Ziel ist die Identifizierung von allgemeinen Designprinzipien für Grenzflächen mit optimierten Transfereigenschaften für Triplett-Exzitonen. Die Grenzfläche von Tetracen und Silizium dient als Modellsystem. Deren Transfereigenschaften werden in Abhängigkeit von der relativen Lage der elektronischen Bandkanten, der molekularen Ordnung, dem Einfluss von Passivierungsschichten, Grenzflächendefekten und Bindungsverhältnissen berechnet. Untersucht wird auch der Einfluss dynamischer Effekte wie zum Beispiel thermischer Schwingungen oder der Akkumulation elektrisch passivierender Ladungsträger. Dazu kombinieren wir (constrained) Dichtefunktionaltheorie mit der Berechnung der zeitlichen Entwicklung struktureller und elektronischer Freiheitsgrade auf angeregten Potentialenergieflächen. Zum Vergleich und zur Verifizierung werden Greensfunktionsmethoden (GW+BSE) verwendet. Untersucht werden Tetracen-Grenzflächen mit Wasserstoff-, Chlor- und Bor-passiviertem Silizium. Diese Systeme geben Einblick in die Trends bezüglich Grenzflächendipole, elektronischer Bandkanten und chemischer Bindungen. Zusätzlich untersuchen wir den Einfluß ultradünner Hafniumoxynitrid-Passivierungsfilme, welche zu Solarzellen mit besonders hoher Quantenausbeute führen. Aus der vergleichenden Analyse des Anregungs- bzw. Ladungstransfers an den untersuchten Systemen sollen sowohl ein gründliches Verständnis der Transfermechanismen als auch konkrete Hinweise für das optimale Grenzflächendesign von Solarzellen mit Singlet-Fission-Sensibilisierung abgeleitet werden.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen