Open Access

Lisa Janker

• In recent research on solar cells that can surpass with the efficient conventional modules on the basis of silicon, ever more new materials are synthesized and tested. One class of these materials which is highly promising for the application in solar cells is in perovskite structure. After a few years of research it was already shown to reach efficiencies as high as commercial cells. This crystal structure can be formed with various different material combinations. This thesis focuses on the group of metal halide perovskites as they have very promising optoelectronic properties. Beside variations in the composition, structures with lower dimensionality have also gained more interest. Their very flexible and easy fabrication process paired with their very interesting and exceptionally good electronic properties makes them exciting objects to study. The high absorption and photoluminescence quantum yield in the perovskite nanostructures opens up a whole field of possible studies toIn recent research on solar cells that can surpass with the efficient conventional modules on the basis of silicon, ever more new materials are synthesized and tested. One class of these materials which is highly promising for the application in solar cells is in perovskite structure. After a few years of research it was already shown to reach efficiencies as high as commercial cells. This crystal structure can be formed with various different material combinations. This thesis focuses on the group of metal halide perovskites as they have very promising optoelectronic properties. Beside variations in the composition, structures with lower dimensionality have also gained more interest. Their very flexible and easy fabrication process paired with their very interesting and exceptionally good electronic properties makes them exciting objects to study. The high absorption and photoluminescence quantum yield in the perovskite nanostructures opens up a whole field of possible studies to conduct. This thesis deals with electrical characterizations and manipulations of the charge carrier dynamics in nanowires of metal halide perovskites. In order to investigate the mechanisms that happen during transport of electrons and holes in such small systems, the contact-free detection method of acousto-optoelectric spectroscopy via surface acoustic wave application is chosen. This method is especially helpful in the examination of these small structures because it lacks the necessity of precisely defining metal contacts on the sample. Instead, the electric field accompanying the mechanical wave is exploited to act upon the charge carriers in a quasi-static approach as the field is adapted to the velocity of the sound wave which is much slower than the speed of light in the medium. In this way the electrons and holes react to the wave and can follow its movement and thus, be transported. In CsPbI3 perovskite nanowires the effect on excitons, bound electron hole pairs, is observed. Time-resolved measurements show that both charge carriers have similar mobilities and that both are moved. The effect of the surface acoustic wave on an exciton can be described by two phenomena: a dissociation and a polarization of the quasi-particle. This is validated in this thesis by the application of a phenomenological model that mimics exactly those two processes. A subsequent numerical calculation of the drift and diffusion equations applied to the system reveals more insights into the dynamics that happen during the application of the surface acoustic wave and confirms that the mobilities of electrons and holes are indeed equal and can be quantified to around 3 cm2/Vs. Low temperature studies confirm the findings and provide a deeper understanding of the system. A final repetition of the time-resolved experiment on the perovskite structure CsPbBr3 corroborates the great influence of the exciton binding energy on the strength of the observed phenomena. Additionally, the easily bandgap-tunable nanowires are perfect sensing materials via the effect of photoconductivity. In a tapered transducer design, the spatially resolved detection of light absorption via the nanostructures is realized. Through the photo-induced charge carrier creation in material deposited in the travelling path, the transmission of a surface acoustic wave can be altered by the reciprocal impact of charge carriers and electric field. This is exploited in the construction of a wavelength and position resolved detector. In the measurements, the recorded absorption edge of several materials nicely reproduces optical absorption measurements and matches the energy of the photoluminescence of the nanowires. The addition of a perpendicular pair of surface acoustic wave transmitter and receiver enables a full two dimensional position detection. The switch from a simple delay line to a resonator-based design shows that the surface acoustic wave can even be used as a mass load detector with high sensitivity through the shifts in resonance frequency induced by the mass. Through the stiffness changes, this works even for rather light material and small amounts. Furthermore, this design is also capable of sensing the conductivity of deposited material analogously to the aforementioned system. As a proof of principle, the absorption edge of one exemplary material is presented for this chip as well, which coincides nicely with the previous investigations.…
• In der aktuellen Forschung zu Solarzellen, die mit den effizienten Modulen aus industriellem Silizium mithalten können, werden immer mehr neue Materialien hergestellt und getestet. Eine sehr vielversprechende Klasse von solchen Materialien für den Einsatz in Solarzellen ist die der Perowskitstrukturen. Nach nur wenigen Jahren der Forschung konnten diese bereits die gleiche Effizienz erreichen wie kommerzielle Solarzellen. Die besondere Kristallstruktur kann mit vielfältigen Materialkombinationen erreicht werden. Diese Arbeit fokussiert sich dabei auf die Gruppe der Metall-Halogen-Perowskite. Neben den Variationen in der Zusammensetzung des Materials haben auch niederdimensionale Strukturen an Interesse gewonnen. Ihre Flexibiltät und einfache Herstellung gepaart mit ihren sehr interessanten und außergewöhnlich guten elektrischen Eigenschaften, machen sie zu einem spannenden Forschungsobjekt. Die hohe Absorptionsrate und die hohe Quantenausbeute in der Photolumineszenz eröffnen ein ganzIn der aktuellen Forschung zu Solarzellen, die mit den effizienten Modulen aus industriellem Silizium mithalten können, werden immer mehr neue Materialien hergestellt und getestet. Eine sehr vielversprechende Klasse von solchen Materialien für den Einsatz in Solarzellen ist die der Perowskitstrukturen. Nach nur wenigen Jahren der Forschung konnten diese bereits die gleiche Effizienz erreichen wie kommerzielle Solarzellen. Die besondere Kristallstruktur kann mit vielfältigen Materialkombinationen erreicht werden. Diese Arbeit fokussiert sich dabei auf die Gruppe der Metall-Halogen-Perowskite. Neben den Variationen in der Zusammensetzung des Materials haben auch niederdimensionale Strukturen an Interesse gewonnen. Ihre Flexibiltät und einfache Herstellung gepaart mit ihren sehr interessanten und außergewöhnlich guten elektrischen Eigenschaften, machen sie zu einem spannenden Forschungsobjekt. Die hohe Absorptionsrate und die hohe Quantenausbeute in der Photolumineszenz eröffnen ein ganz neues Feld möglicher Studien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der elektronischen Charakterisierung und der Manipulation der Ladungsträger in Nanodrähten aus Metall-Halogen-Perowskit. Um die Mechanismen während des Ladungsträgertransportes in so kleinen Systemen untersuchen zu können, wurde die Methode der akusto-optoelektrischen Spektroskopie mithilfe von Oberflächenwellen gewählt. Diese Messmethode ist besonders dann hilfreich, wenn ultrakleine Strukturen untersucht werden sollen, da keine Metallkontakte hochpräzise auf der Probe aufgebracht werden müssen. Stattdessen wird das elektrische Feld, welches die mechanische Wellen auf einem piezoelektrischen Substrat begleitet, ausgenutzt, um die Ladungsträger zu beeinflussen. Dies geschieht quasi-statisch, da die Feldgeschwindigkeit an die Schallgeschwindigkeit der akustischen Welle angepasst ist und sich nicht mit der Lichtgeschwindigkeit im Substrat ausbreitet. Dadurch haben die Elektronen und Löcher genug Zeit auf das Feld zu reagieren und können der Bewegung der Welle folgen, wodurch ein Transport stattfindet. In den CsPbI3-Nanodrähten wird der Effekt der Wellen auf Exzitonen, gebundene Elektron-Loch-Paare, beobachtet. In zeitaufgelösten Messungen zeigt sich, dass beide Ladungsträger die gleiche Mobilität haben und beide von der Welle gleichermaßen bewegt werden. Der Effekt der Oberflächenwelle auf die Exzitonen kann durch zwei Phänomene beschrieben werden: die Aufspaltung und die Polarisation des Quasi-Teilchens. Das wird in der Arbeit durch die Anwendung eines phänomenologischen Models bestätigt, welches genau diese beiden Effekte modelliert. Eine numerische Simulation der Drift- und Diffusionsgleichungen, angewendet auf das zu untersuchende System, bringt tiefere Einblicke in die Dynamik der Ladungsträger innerhalb der Nanostruktur und bestätigt, dass die Mobilitäten von Elektronen und Löchern gleich sind und kann zudem deren Wert auf rund 3 cm2/Vs quantifizieren. Messungen bei tiefen Temperaturen untermauern die Ergebnisse und liefern ein tieferes Verständnis des Systems. Eine Wiederholung der zeitaufgelösten Messung an CsPbBr3-Nanodrähten bestätigt den großen Einfluss der Bindungsenergie der Exzitonen auf die Stärke des beobachteten Effekts. Neben der Untersuchung der Nanodrähte selbst, können diese durch ihre einfach anzupassende Bandlücke über ihre Photoleitfähigkeit auch als Sensormaterial dienen. In einem speziellen, konischen Design der Schallwandler kann eine ortsaufgelöste Detektion realisiert werden. Durch die photoinduzierte Ladungsträgerbildung in dem im Schallpfad deponierten Material kann die Übertragung einer akustischen Oberflächenwelle durch die wechselseitige Wirkung von Ladungsträgern und elektrischem Feld verändert werden. Dies wird bei der Konstruktion eines wellenlängen- und positionsaufgelösten Detektors genutzt. Während der Messungen bildet die aufgenommene Absorptionskante mehrerer Materialien optische Absorptionsmessungen gut nach und passt zur Photolumineszenz der Nanodrähte. Das Hinzufügen eines senkrechten Paares von akustischem Oberflächenwellen-Sender und -Empfänger ermöglicht eine vollständige zweidimensionale Positionserfassung. Der Wechsel von einer einfachen Verzögerungsstrecke zu einem resonatorbasierten Design zeigt, dass die SAW auch als Massendetektor mit hoher Empfindlichkeit eingesetzt werden kann, wobei die Masse Verschiebungen in der Resonanzfrequenz induziert. Durch die Steifigkeitsänderungen funktioniert dies auch bei eher leichtem Material und kleinen Mengen. Darüber hinaus ist diese Anordnung auch in der Lage, zusätzlich die Leitfähigkeit des abgeschiedenen Materials analog zum vorgenannten System zu detektieren. Als Proof-of-principle wird auch für diesen Chip die Absorptionskante eines exemplarischen Materials vorgestellt, die gut mit den bisherigen Studien übereinstimmt.…