Organisch-anorganische Hybrid-Perowskit-Halbleiter haben aufgrund ihrer exzellenten optoelektronischen Eigenschaften großes Interesse geweckt und finden breite Anwendung in Solarzellen, photoelektrochemischen Zellen, Lasern und Leuchtdioden (LEDs). Perowskitbasierte LEDs (insbesondere solche mit CH₃NH₃PbBr₃) haben sich im letzten Jahrzehnt zu einem vielversprechenden Forschungsgebiet entwickelt. Allerdings schränken Haftstellen (vor allem an Grenzflächen) die Leistung und Stabilität von Perowskit-LEDs erheblich ein. Diese energielokalisierten Zustände innerhalb der Bandlücke fangen Ladungsträger ein und setzen sie frei, wodurch die Ladungsträgermobilität reduziert, die nichtstrahlende Rekombination erhöht und der Wirkungsgrad der Bauelemente verringert wird. Haftstellen in Perowskit-LEDs entstehen hauptsächlich durch Korngrenzen, intrinsische Defekte und Grenzflächenwechselwirkungen. Beispielsweise können spezifische Punktdefekte wie Halogen-Leerstellen und A-Platz-Leerstellen, Blei-Halogen-Antistellen und Halogen-Zwischengitterplätze nichtstrahlende Verluste verursachen. Halogen-Leerstellen bilden positiv geladene Stellen, wodurch Defektzustände in die Bandlücke eingeführt werden. Dadurch werden Elektronen eingefangen und Löcher neutralisiert, was zu einer durch Fallen unterstützten Elektronen-Loch-Rekombination führt und die Geräteeffizienz erheblich verringert.
Wu et al. lieferten zuvor mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie direkte Beweise für solche Defekte in Methylammonium-Bleiiodid-Perowskit-Dünnschichten. Umgekehrt kann ein Überschuss an Halogenen in der Umgebung zur Bildung halogenreicher Oberflächenschichten führen, was einen Selbstpassivierungseffekt zur Folge hat, die Exzitonenbildung fördert und die strahlende Rekombinationsrate erhöht. Defektunterstützte nichtstrahlende Rekombination ist ein Hauptfaktor für den Verlust der Lichtausbeute, insbesondere bei niedrigen Ladungsträgerdichten. Zusätzlich zur Förderung der Rekombination können Defektzustände auch als Kanäle für die Ionenmigration dienen und so die Leistungsverschlechterung der Bauelemente weiter verschärfen. Ein weiteres Hauptproblem ist das Ungleichgewicht der Ladungsträgerinjektion in Perowskit-Leuchtdioden, das zu einer Ladungsträgerakkumulation an der Grenzfläche führt und nichtstrahlende Rekombination sowie eine signifikante Lichtlöschung auslöst. Um dieses Problem zu beheben, hat sich die Angleichung der Ladungsträgermobilität zwischen der Elektronentransportschicht und der Lochtransportschicht als effektive Strategie erwiesen, um eine ausgeglichene Ladungsträgerinjektion in Perowskit-Leuchtdioden zu gewährleisten. Darüber hinaus verschärft die durch elektrische Felder induzierte Ionenmigration diese Herausforderungen und führt zu anomalen Verhaltensweisen wie Photostromhysterese, Strom-Spannungs-Hysterese, umschaltbarer Gerätepolarität und ungewöhnlich hoher statischer Dielektrizitätskonstante. Die Ionenmigration verstärkt zudem die Bildung und Aktivierung von Haftstellen und damit deren negative Auswirkungen auf die Geräteperformance.
Das Forschungsteam hat bereits gezeigt, dass die Passivierung mit Organochloriden (wie Cholinchlorid) die Ionenmigration effektiv unterdrücken und die Anzahl von Haftstellen in Perowskit-LEDs reduzieren kann, wodurch die spektrale Stabilität und die Leistung der Bauelemente verbessert werden. Jüngste Studien haben die Wirksamkeit von Defektpassivierungsstrategien zur Steigerung der Bauelementeffizienz durch die Reduzierung von Haftstellen und Ionenmigration weiter bestätigt. So demonstrierten Xu et al. die Realisierung farbstabiler, tiefblauer Perowskit-LEDs durch Organochlorid-Engineering, wobei die Reduzierung von Haftstellen und Ionenmigration der Schlüssel zum Erfolg war. Auch Yun et al. wiesen auf die Herausforderungen hin, die Ionenmigration und Haftstellen für blaue Cäsium-Blei-Bromid-Perowskit-LEDs darstellen, und schlugen die Verwendung von Hydrazinhydrobromid für das Composition Engineering vor, um die Defektdichte zu kontrollieren und die Phononenkopplung zu reduzieren, wodurch die Bauelementeffizienz verbessert wird. Diese Studien konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf das Material-Engineering und untersuchen weder die Grenzflächen-Ladungsträgerdynamik noch die durch Haftstellen unterstützte Rekombination quantitativ. Des Weiteren ist zwar bekannt, dass Defektpassivierungsstrategien die Ionenmigration unterdrücken, ihre Auswirkungen auf das Ladungsinjektionsgleichgewicht müssen jedoch noch eingehend untersucht werden.
Forscher der National Cheng Kung University in Taiwan, unter der Leitung von Tzung-Fang Guo, untersuchten mittels Admittanzspektroskopie die Haftstellen, die Grenzflächendynamik und die Ladungsträgerdynamik von Perowskit-Leuchtdioden (LEDs) auf CH₃NH₃PbBr₃-Basis. Sie erforschten, wie die Defektpassivierung mit Cholinchlorid die Grenzflächen-Ladungsträgerdynamik verbessert. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung des elektrischen Verhaltens der Bauelemente und zeigt, wie Haftstellen die Kapazität, die Ladungsträgerinjektion und Rekombinationsprozesse beeinflussen – entscheidend für die Verbesserung von Effizienz und Stabilität. Die Studie belegt, dass eine effektive Defektpassivierung die nichtstrahlende Rekombination signifikant unterdrückt, die Ionenmigration verringert und eine ausgewogenere Ladungsinjektion und einen besseren Ladungstransport gewährleistet. Zur Analyse dieser Effekte wurden die spannungsabhängige Kapazität, die Luminanz-Kapazität-Spannungs-Beziehungen und die frequenzabhängige Kapazität abgeleitet und ausgewertet. Diese Analysen zeigen, dass passivierte Bauelemente eine reduzierte Haftstellendichte, eine unterdrückte Ionenpolarisation und eine verstärkte strahlende Rekombination aufweisen, was die Verbesserung der Ladungsträgerdynamik an der Grenzfläche bestätigt. Im Vergleich zu früheren Studien, die sich primär auf Leistungstrends und ergänzende elektrische Charakterisierungen konzentrierten, fokussiert diese Arbeit auf einen diagnostischen Analyseprozess mittels Admittanzspektroskopie. Die Analyse wurde auf frequenzaufgelöste Antwortfunktionen und Bias-Bereichs-Mappings erweitert, und die Antwort der Elektronenhaftstellen konnte klar vom langsameren Ionenbeitrag unterschieden werden. Dies liefert eine mechanistischere Erklärung für Ladungsakkumulation, Rekombination und Stabilität.
