Design Principles for Implementing Halide-Perovskite Materials in Photoelectrochemical Applications

Halogenid-Perowskite sind vielversprechende Halbleiter für die solare Energieumwandlung, doch ihre Instabilität in wässriger Umgebung begrenzt ihren Einsatz in photoelektrochemischen Systemen. Diese Arbeit untersucht Halogenid-Perowskit-Dünnschichten als Photoelektroden unter Ausnutzung eines dynamischen Auflösungs-Wiederausfällungsgleichgewichts in halogenidreichen Lösungen. Am Modellsystem Phenethylammonium-Bleiiodid (PEA₂PbI₄) wurden die Stabilitätsgrenzen untersucht. Oberhalb einer kritischen Phenethylammoniumiodid-Konzentration blieben die Dünnschichten optisch und strukturell stabil, während Oberflächenrekristallisation zu verbesserter Morphologie und erhöhter Photolumineszenz führte. Die Stabilisierung war zusammensetzungsabhängig: Dünnschichten mit anderen organischen Kationen sowie quasi-2D und heterostrukturierte Filme zeigten irreversible Degradation. Unter Beleuchtung wurde ein oberflächenlokalisierter Photokorrosionsprozess identifiziert. Synchrotronbasierte Röntgenuntersuchungen zeigten, dass die Photodegradation von PEA₂PbI₄ mit der Bildung einer PbI₂-Amin-Adduktphase einhergeht, die an der Perowskit/Elektrolyt-Grenzfläche und auf Kornoberflächen lokalisiert ist. Spektroelektrochemische Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Photokorrosion durch Elektronenakkumulation an der Grenzfläche eingeleitet und dadurch die Deprotonierung des organischen Kations begünstigt wird. Die Photokorrosionsrate korrelierte mit einem abnehmenden Leerlaufpotential, während die elektrochemische Reaktivität stark von der Redoxchemie des Elektrolyten, den Beleuchtungsbedingungen und den vergrabenen selektiven Kontakten abhing. Diese Ergebnisse zeigen, wie Ladungstransfer an Grenzflächen die Leistungsfähigkeit und Degradation von Halogenid-Perowskit-Photoelektroden beeinflusst. Sie leiten Designregeln für deren Stabilisierung in wässrigen Medien ab und eröffnen neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Halogenid-Perowskiten in photoelektrochemischen Anwendungen.