Press Releases

Metal halide perovskites have been under intense investigation over the last decade due to the remarkable rise in their performance in optoelectronic devices such as solar cells or light-emitting diodes. Despite tremendous progress in this field, many fundamental aspects of the photophysics of perovskite materials remain unknown, such as a detailed understanding of their defect physics and charge recombination mechanisms. These are typically studied by measuring the photoluminescence – i.e. the emission of light upon photoexcitation – of the material in both the steady-state and transient regimes. While such measurements are ubiquitous in literature, they do not capture the full range of the photophysical processes that occur in metal halide perovskites and thus represent only a partial picture of their charge carrier dynamics. Moreover, while several theories are commonly applied to interpret these results, their validity and limitations have not been explored, raising concerns regarding the insights they offer.

To tackle this challenging question, a trinational team of researchers from Lund University (Sweden), the Russian Academy of Sciences (Russia) and the Technical University of Dresden (Germany) have developed a new methodology for the study of lead halide perovskites. This methodology is based on the complete mapping of the photoluminescence quantum yield and decay dynamics in the two-dimensional (2D) space of both fluence and frequency of the excitation light pulse. Such 2D maps not only offer a complete representation of the sample’s photophysics, but also allow to examine the validity of theories, by applying a single set of theoretical equations and parameters to the entire data set. “Mapping a perovskite film using our new method is like taking its fingerprints - it provides us with a great deal of information about each individual sample.” says Prof. Ivan Scheblykin, a Professor of Chemical Physics at Lund University. “Interestingly, each map resembles the shape of a horse’s neck and mane, leading us to fondly refer to them as ‘perovskite horses’, which are all unique in their own way.”

“The wealth of information contained in each 2D map allows us to explore different possible theories that may explain the complex behavior of charge carriers in metal halide perovskites” adds Dr. Pavel Frantsuzov from the Siberian Brunch of the Russian Academy of Sciences. Indeed, the researchers discovered that the two most commonly applied theories (the so called ‘ABC theory’ and the Shockley-Read-Hall theory) cannot explain the 2D maps across the entire range of excitation parameters. They propose a more advanced theory that includes additional nonlinear processes to explain the photophysics of metal halide perovskites.

The researchers show that their method has important implications for the development of more efficient perovskite solar cells. Prof. Dr. Yana Vaynzof, Chair for Emerging Electronic Technologies at the Institute for Applied Physics and Photonic Materials and the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) explains: “By applying the new methodology to perovskite samples with modified interfaces, we were able to quantify their influence on the charge carrier dynamics in the perovskite layer by changing, for example, the density and efficacy of traps. This will allow us to develop interfacial modification procedures that will lead to optimal properties and more efficient photovoltaic devices.”

Importantly, the new method is not limited to the study of metal halide perovskites and can be applied to any semiconducting material. “The versatility of our method and the ease with which we can apply it to new material systems is very exciting! We anticipate many new discoveries of fascinating photophysics in novel semiconductors.” adds Prof. Scheblykin.

The work was now published in the prestigious journal "Nature Communications".

Title:
Are Shockley-Read-Hall and ABC models valid for lead halide perovskites?
Authors: Alexander Kiligaridis, Pavel Frantsuzov, Aymen Yangui, Sudipta Seth, Jun Li, Qingzhi An, Yana Vaynzof and Ivan G. Scheblykin
Nature Communications 12, Article number: 3329 (2021)
DOI: 10.1038/s41467-021-23275-w
Link: https://www.nature.com/articles/s41467-021-23275-w

Illustration 1: © Y. Vaynzof
Illustration 2: © I. Scheblykin / Y. Vaynzof. Caption: The diagram depicts a typical 2D photoluminescence map that resembles the shape of a horse’s neck and mane.

Contact details:

Prof. Ivan G. Scheblykin
Professor of Chemical Physics, Department of Chemistry, Lund University, Sweden
Tel. +46 46 222 48 48
E-Mail: ivan.scheblykin@chemphys.lu.se

Dr. Pavel Frantsuzov
Head of Theoretical Chemistry Lab
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion
Siberian Brunch of the Russian Academy of Science
Tel. +7 383 333-2855
E-Mail: pavel.frantsuzov@gmail.com

Prof. Dr. Yana Vaynzof
Chair for Emerging Electronic Technologies at the Institute for Applied Physics and Center for Advancing Electronics Dresden - cfaed at TU Dresden
Tel. +49 351 463-42132
E-Mail: yana.vaynzof@tu-dresden.de

About cfaed
cfaed is a research cluster at TU Dresden (TUD). As an interdisciplinary research center for perspectives of electronics, it is located at the TUD as a central scientific unit, but also integrates nine non-university research institutions in Saxony as well as TU Chemnitz as cooperating institutes. With its vision, the cluster aims to shape the future of electronics and initiate revolutionary new applications, such as electronics that do not require boot time, are capable of THz imaging, or support complex biosensor technology. These innovations make conceivable performance improvements and applications that would not be possible with the continuation of today's silicon chip-based technology. In order to achieve its goals, cfaed combines the thirst for knowledge of the natural sciences with the innovative power of engineering.
www.cfaed.tu-dresden.de

[Deutsche Version]

Perowskit-Pferde in 2D: Ein neues Bild der Bleihalogenid-Perowskite

In einer gemeinsamen experimentellen und theoretischen Arbeit zwischen der Universität Lund (Schweden), der Russischen Akademie der Wissenschaften (Russland) und des Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden (Deutschland) entwickelten Forscher:innen eine neuartige spektroskopische Technik zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in Bleihalogenid-Perowskiten. Die Studie wurde nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Metallhalogenid-Perowskite wurden im letzten Jahrzehnt intensiv untersucht, da ihre Leistung in optoelektronischen Bauteilen wie Solarzellen oder Leuchtdioden bemerkenswert gestiegen ist. Trotz enormer Fortschritte auf diesem Gebiet sind viele grundlegende Aspekte der Photophysik von Perowskit-Materialien noch unbekannt, wie z.B. ein detailliertes Verständnis ihrer Defektphysik und der Mechanismen der Ladungsrekombination. Diese werden typischerweise durch Messung der Photolumineszenz - d.h. der Emission von Licht bei Photoanregung - des Materials sowohl im stationären als auch im transienten Bereich untersucht. Obwohl solche Messungen in der Fachliteratur allgegenwärtig sind, erfassen sie nicht die gesamte Bandbreite der photophysikalischen Prozesse, die in Metallhalogenid-Perowskiten auftreten, und stellen daher nur einen Ausschnitt ihrer Ladungsträgerdynamik dar. Darüber hinaus werden zwar häufig verschiedene Theorien zur Interpretation dieser Ergebnisse herangezogen, ihre Gültigkeit und Grenzen wurden jedoch nicht untersucht, was zu Vorbehalten gegenüber der Anwendbarkeit dieser Theorien führt.

Um diese Frage anzugehen, hat ein trinationales Team von Forscher:innen der Universität Lund (Schweden), der Russischen Akademie der Wissenschaften (Russland) und der Technischen Universität Dresden (Deutschland) eine neue Methodik für die Untersuchung von Bleihalogenid-Perowskiten entwickelt. Sie basiert auf der vollständigen Abbildung der Photolumineszenz-Quantenausbeute und der Abklingdynamik im zweidimensionalen (2D-) Raum sowohl der Fluenz als auch der Frequenz des anregenden Lichtpulses. Solche 2D-Karten bieten nicht nur eine vollständige Darstellung der Photophysik der Materialprobe, sondern ermöglichen auch die Überprüfung der Gültigkeit von Theorien, indem ein einziger Satz von theoretischen Gleichungen und Parametern auf den gesamten Datensatz angewendet wird. "Die Kartierung eines Perowskit-Films mit unserer neuen Methode ist wie die Aufzeichnung seines Fingerabdrucks - sie liefert uns eine Vielzahl von Informationen über jede einzelne Probe", sagt Prof. Ivan Scheblykin, Professor für chemische Physik an der Universität Lund. "Interessanterweise ähnelt jede Karte der Form des Halses und der Mähne eines Pferdes, was uns dazu veranlasst, sie liebevoll als 'Perowskit-Pferde' zu bezeichnen, die alle auf ihre eigene Weise einzigartig sind."

"Die Fülle an Informationen, die in jeder dieser Karten enthalten ist, erlaubt es uns, verschiedene mögliche Theorien zu erforschen, die das komplexe Verhalten von Ladungsträgern in Metallhalogenid-Perowskiten erklären könnten", fügt Dr. Pavel Frantsuzov von der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nowosibirsk hinzu. In der Tat entdeckten die Forscher, dass die beiden am häufigsten angewandten Theorien (die so genannte „ABC-Theorie“ und die Shockley-Read-Hall-Theorie) die 2D-Karten nicht über den gesamten Bereich der Anregungsparameter erklären können. Sie schlagen eine fortschrittlichere Theorie vor, die zusätzliche nichtlineare Prozesse beinhaltet, um die Photophysik von Metallhalogenid-Perowskiten zu erklären.

Die Forscher zeigen, dass ihre Methode wichtige Implikationen für die Entwicklung von effizienteren Perowskit-Solarzellen hat. Prof. Dr. Yana Vaynzof von der Professur für Neuartige Elektronik-Technologien am Institut für Angewandte Physik und Photonische Materialien und dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden erklärt: "Durch die Anwendung der neuen Methodik auf Perowskit-Proben mit modifizierten Grenzflächen konnten wir deren Einfluss auf die Ladungsträgerdynamik in der Perowskit-Schicht quantifizieren, indem wir z. B. die Dichte und Effektivität von Fallenzuständen veränderten. Dies wird es uns ermöglichen, Verfahren zur Grenzflächenmodifikation zu entwickeln, die zu optimalen Eigenschaften und noch effizienteren photovoltaischen Bauelementen führen."

Von großer Bedeutung ist auch die Tatsache, dass die neue Methodik nicht auf die Untersuchung von Metallhalogenid-Perowskiten beschränkt ist und auf jedes beliebige halbleitende Material angewendet werden kann. "Die Vielseitigkeit unserer Methode und die Leichtigkeit, mit der wir sie auf neue Materialsysteme anwenden können, ist sehr inspirierend. Wir erwarten eine Vielzahl neuer Entdeckungen von faszinierender Photophysik in neuartigen Halbleitern", fügt Prof. Scheblykin hinzu.

Die Arbeit wurde in der renommierten Fachzeitschrift ‚Nature Communications‘ veröffentlicht.

Titel: Are Shockley-Read-Hall and ABC models valid for lead halide perovskites?
Autoren: Alexander Kiligaridis, Pavel Frantsuzov, Aymen Yangui, Sudipta Seth, Jun Li, Qingzhi An, Yana Vaynzof und Ivan G. Scheblykin
Nature Communications 12, Artikelnummer: 3329 (2021)
DOI: 10.1038/s41467-021-23275-w
Link: https://www.nature.com/articles/s41467-021-23275-w

Illustrationen:
Illustration 1: © Y. Vaynzof.
Illustration 2: © I. Scheblykin / Y. Vaynzof. Bildunterschrift: Das Diagramm stellt eine typische 2D-Photolumineszenzkarte dar, die in der Form an den Hals und die Mähne eines Pferdes erinnert.

Medienkontakt:

Prof. Dr. Yana Vaynzof
Professur für Neuartige Elektronik-Technologien, Institut für Angewandte Physik und Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden, Deutschland
Tel. +49 (0)351 463-42132
E-Mail: yana.vaynzof@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden, Deutschland
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Über das cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden
Das cfaed ist ein Forschungscluster an der TU Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es an der TUD als zentrale wissenschaftliche Einheit angesiedelt, integriert aber auch neun außeruniversitäre Forschungseinrichtungen in Sachsen sowie die TU Chemnitz als kooperierende Institute. Mit seiner Vision will der Cluster die Zukunft der Elektronik gestalten und revolutionäre neue Anwendungen initiieren, wie z. B. eine Elektronik, die keine Bootzeit benötigt, THz-Bildgebung beherrscht oder komplexe Biosensorik unterstützt. Diese Innovationen machen Leistungssteigerungen und Anwendungen denkbar, die mit der Fortführung der heutigen Siliziumchip-basierten Technologie nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, verbindet das cfaed den Wissensdurst der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.
www.cfaed.tu-dresden.de