Optische Untersuchungen zur elektronischen Feinstruktur in Perowskit-Halbleitern
Perowskit-Halbleiter haben sich als potenzielle Materialen für lichtabsorbierende und -emittierende Anwendungen etabliert. Dünnschichten erreichen in photovoltaischen Zellen bereits heute Wirkungsgrade von über 25 %. Die Kontrolle des Wachstums anorganischer Quantenpunkte ermöglichte zudem die Realisierung von Leuchtdioden mit Lichtausbeuten nahe 30 % und ebnet den Weg für den Einsatz in Quantenemittern.
In dieser Arbeit wird die elektronische Struktur zweier prototypischer Perowskit-Halbleiter spektroskopisch untersucht. Der Fokus liegt dabei auf dem Auftreten optischer Feinstrukturen, die Einblicke in die photophysikalischen Eigenschaften dieser Halbleiter ermöglichen und deren Eignung für praktische Anwendungen beeinflussen.
Das bleifreie Doppelperowskit Cs2AgBiBr6 gilt als Kandidat für den Einsatz in Tandem-Solarzellen und wellenlängenselektiven Detektoren. Seine optischen Eigenschaften werden durch eine Absorptionsbande im blauen Spektrum dominiert, deren Ursprung Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen ist. Temperaturaufgelöste Absorptions-, Photolumineszenz- und Anregungsspektren in dieser Arbeit offenbaren eine bisher unbekannte energetische Feinstruktur der Absorptionsbande, die durch das Zustandsmodell atomarer Übergänge im Bismution konsistent beschrieben werden kann. Das auf dieser Grundlage entwickelte Rekombinations- und Zustandsschema von Cs2AgBiBr6 stellt dessen grundsätzliche Eignung für photoelektrische Anwendungen infrage.
Die energetische Feinstruktur des emittierenden Zustands in CsPbBr3-Nanokristallen ist hingegen bekannt. Sie resultiert aus einer Aufhebung der Entartung des exzitonischen Triplett-Zustandes und hat eine entscheidende Bedeutung für die hohe Quanteneffizienz der Kristalle. Durchgeführte polarisationsaufgelöste Photolumineszenz-Untersuchungen an CsPbBr3-Nanoplättchen demonstrieren, wie deren asymmetrische Form und die Feinstruktur ausgenutzt werden können, um die Kristallkonfiguration einzelner Nanoplättchen durch ausschließlich optische Messungen zu identifizieren und deren absolute Orientierung im Raum zu rekonstruieren.
Perovskite semiconductors have established themselves as potential materials for light-absorbing and -emitting applications. Thin films of this material class already achieve efficiencies of over 25 % in photovoltaic cells today. Precise control of inorganic quantum dot growth further enabled the realization of light-emitting diodes with efficiencies close to 30 % and paved the way towards their use in quantum emitters.
In this work, the electronic structure of two prototypical perovskite semiconductors is investigated by spectroscopic means. The studies are focused on the occurrence of optical fine structures, which provide insights into the photophysical properties of the semiconductors and affect their suitability for practical applications.
The lead-free double perovskite Cs2AgBiBr6 is considered a candidate for use in tandem solar cells and wavelength-selective detectors. Its optical properties are dominated by an absorption band in the blue spectrum, the origin of which is the subject of scientific discussions. Temperature-resolved absorption, photoluminescence, and excitation spectra in this work reveal a previously unknown energetic fine structure of said absorption band, which can be consistently described by the state model of atomic transitions in the bismuth ion. The recombination and state scheme of Cs2AgBiBr6 developed on this basis calls into question its fundamental suitability for photoelectric applications.
On the other hand, the energetic fine structure of the emitting state in CsPbBr3 nanocrystals is known. It results from a lifting of the degeneracy of an excitonic triplet state and has decisive importance for the high quantum efficiency of the crystals. Polarization-resolved photoluminescence studies on CsPbBr3 nanoplatelets in this work demonstrate how their asymmetric shape and the fine structure can be exploited to identify the crystal configuration of individual nanoplatelets through optical measurements alone and to determine their absolute orientation in space.