Understanding the impact of processing and nanostructure on lead halide perovskite optoelectronic devices

Titelangaben

Biberger, Simon:
Understanding the impact of processing and nanostructure on lead halide perovskite optoelectronic devices.
Bayreuth , 2024 . - 263 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00008005

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Abstract

Das Hauptziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen der Verarbeitung und der daraus resultierenden Nanostruktur auf die optoelektronischen Eigenschaften von Bleihalogenid-Perowskit-Schichten und Ladungsextraktionsschichten zu verstehen, die üblicherweise in optoelektronischen Bauelementen auf der Basis von Bleihalogenid-Perowskiten verwendet werden. Die Dissertation behandelt dieses Thema in sechs Kapiteln, die in drei Blöcke unterteilt sind. Diese drei Themenblöcke und die entsprechenden Artikel sind auch in der Abbildung 1.1 dargestellt.

Der erste Block (blau, Publikation 1 + 2, siehe Kapitel 9 + 10) befasst sich mit der Verarbeitung von Metallhalogenid-Perowskiten in Lösung mittels Spin-Coating, der aktuell am häufigsten eingesetzten Verarbeitungstechnik zur Herstellung von Perowskit-Schichten im Labormaßstab. Im ersten Artikel ’How the ionic liquid BMIMBF4 influences the formation and optoelectronic properties of MAPbI3 films’ wurde der Einfluss einer ionischen Flüssigkeit auf die Filmbildung und die endgültigen optoelektronischen Eigenschaften von MAPbI3 während der einstufigen Spin-Beschichtung und des Solvent-Engineering-Ansatzes mittels optischer multi-modaler In-situ-Spektroskopie untersucht. Die aus dieser Studie gewonnenen Einsichten und Erkenntnisse haben die im zweiten Artikel ’Improved control of perovskite thin film fabrication via reactive spin coating and real time In-Situ feedback’ vorgestellten Untersuchungen direkt inspiriert und initiiert. In dieser Arbeit wurde der experimentelle In-Situ-Aufbau, der in Publikation 1 verwendet wurde, modifiziert, um ein Feedback aus den optischen Spektren während der Verarbeitung eines MAPbI3-Dünnfilms zu erhalten. Auf der Grundlage dieses Echtzeit-Feedbacks wurde erstmals die Perowskit-Kristallisation in Abhängigkeit von systeminternen Parametern und nicht von systemexternen Parametern induziert. Dieser reaktive Spin-Coating-Ansatz ermöglicht die Herstellung von Perowskit-Dünnschichten mit gleichbleibender Qualität und gleichbleibenden optoelektronischen Eigenschaften ohne Optimierungsschritte bei Variation der externen Parameter.
Der zweite Themenblock (grün, Publikation 3, 4, 5, siehe Kapitel 11, 12, 13) meiner Dissertation befasst sich mit der lösungsmittelfreien alternativen Verarbeitung von Bleihalogenidperowskit zur Entkopplung von Synthese und Filmbildung. Dabei werden bereits synthetisierte Perowskit-Pulver verwendet, um (dünne/dicke) Perowskit-Schichten zu herzustellen. In Publikation 3 ’First of Their Kind: Solar Cells with a Dry-Processed Perovskite Absorber Layer via Powder Aerosol Deposition and Hot-Pressing’ wurden MAPbI3-Absorberschichten mittels Pulver-Aerosol-Abscheidung (PAD) und einem optionalen Heißpressschritt verarbeitet. In dieser Arbeit konnten erstmals voll funktionsfähige trocken prozessierte Perowskit-Solarzellen mit Wirkungsgraden bis zu 6% realisiert werden. Der gesamte Solarzellenstapel wurde Schicht für Schicht untersucht, um Potenziale zur Verbesserung der optoelektronischen Funktionalität jeder einzelnen Schicht und des Stapels als Ganzes zu identifizieren. Eine weitere detaillierte Studie mit besonderem Schwerpunkt auf den Auswirkungen des (Heiß-)Pressens auf die optoelektronischen Eigenschaften von PAD MAPbI3-Filmen wurde in Artikel 4 ’Orientation and Grain Size in MAPbI3 Thin Films: Influence on Phase Transition, Disorder, and Defects’ durchgeführt. In dieser Veröffentlichung wurde dargestellt, wie kleine Unterschiede in der Morphologie (d.h. kristallographische Orientierung oder Korngröße) optoelektronische und strukturelle Eigenschaften, insbesondere Phasenübergang, Defekte und energetische Unordnung, beeinflussen. Ähnliche Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen kristallographischen Veränderungen und den daraus resultierenden optoelektronischen Eigenschaften wurden in der letzten Studie - Publikation 5, ’Structural Diversity in Layered Hybrid Perovskites, A2PbBr4 or AA′PbBr4, ‘Templated by Small Disc-Shaped Amines’ - dieses Blocks durchgeführt. Hier wurden die Spacermoleküle systematisch variiert, um 2D-Perowskit-Schichten mit unterschiedlichen Korrugationslängen und Kristallstrukturen zu erzeugen, und die entsprechenden optoelektronischen Eigenschaften wurden für eine mögliche Anwendung in einer Weißlicht-LED charakterisiert.
Der dritte Block (gelb, Publikation 6, siehe Kapitel 14) und die letzte Studie ’Intricacies and Mechanism of p-Doping Spiro-MeOTAD Using Cu(TFSI)2’ innerhalb dieser Arbeit knüpft an die lösungsmittelfreie Prozessierung an, nur jetzt nicht mehr einer Perowskitschicht, sondern einer Ladungsextraktionsschicht für Bleihalogenid-Perowskit-basierte Solarzellen. Der Schwerpunkt dieses Projekts lag auf dem Verständnis
des genauen Dotierungsmechanismus eines aufgedampften Lochtransportmaterials mit einem mitverdampften Dotierstoff und der Auswirkung der Dotierstoffkonzentration auf die optoelektronischen Eigenschaften der entsprechenden Filme. Mit Hilfe dieses Co-Verdampfungsansatzes könnte man den Bedarf an Lösungsmitteln bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen weiter reduzieren.

Abstract in weiterer Sprache

The main aim of the thesis is to understand the impact of the processing and the resulting nanostructure on the optoelectronic properties of lead halide perovskite layers and charge extraction layers, which are commonly used in lead halide perovskite-based optoelectronic devices. The thesis addresses this issue in six chapters, which shall be grouped into three blocks. These three research areas and the corresponding articles are also shown in Figure 2.1.
The first block (blue, Publication 1 + 2, see chapters 9 + 10) deals with the solution processing of metal halide perovskites via spin coating, which is the state-of-the-art processing technique to fabricate perovskite layers on a lab scale. In the first article, ‘How the ionic liquid BMIMBF4 influences the formation and optoelectronic properties of MAPbI3 films’, the impact of an ionic liquid on the film formation and the final optoelectronic properties of MAPbI3 during the one-step spin coating and the solvent engineering approach was investigated via optical multi-modal in-situ spectroscopy. The insights and findings gained from this study directly inspired and initiated the investigations presented in the second article ‘Improved control of perovskite thin film fabrication via reactive spin coating and real time in-situ feedback’. In this work, the experimental in-situ setup, which was used in Publication 1, was modified
to obtain feedback from the optical spectra during the processing of a MAPbI3 thin film. Based on this real-time feedback, the perovskite crystallite was induced depending on system-internal parameters rather than system-external ones. This reactive spin coating approach allows to fabricate perovskite thin films with consistent quality and optoelectronic properties without any optimization steps while varying external parameters.
The second topic block (green, Publication 3, 4, 5, see chapters 11, 12, 13) of my thesis will be about solvent-free alternative processing of lead halide perovskite to decouple the synthesis and the film formation. Here, already synthesized perovskite powders are used to process (thin/thick) perovskite layers. In Publication 3, ‘First of Their Kind: Solar Cells with a Dry-Processed Perovskite Absorber Layer via Powder Aerosol Deposition and Hot-Pressing’, MAPbI3 absorber layers were processed via powder aerosol deposition (PAD) and an optional hot-pressing step. For the first time, fully functioning dry-processed perovskite solar cells with efficiencies up to 6% could be realized in this work. Further, the whole solar cell stack was investigated layer-by-layer to identify potentials for improvement of the optoelectronic performance of each layer and the stack as a whole. An additional in-depth study with a particular focus on the impact of the (hot-)pressing step on the optoelectronic properties of PAD MAPbI3 film was published in article 4, ‘Orientation and Grain Size in MAPbI3 Thin Films: Influence on Phase Transition, Disorder, and Defects’. This publication presented how small differences in morphology (i.e. crystallographic orientation or grain size) impacts optoelectronic as well as structural properties, in particular phase transition, defects, and energetic disorder. Similar investigations on the relationship between crystallographic changes and the resulting optoelectronic properties were conducted on pressed perovskite pellets in the last study – Publication 5, ‘Structural Diversity in Layered Hybrid Perovskites, A2PbBr4 or AA′PbBr4, ‘Templated by Small Disc-Shaped Amines’ – of this block. Here, the spacer molecules were systematically varied to induce 2D perovskite sheets with different corrugation lengths
and crystal structures, and the corresponding optoelectronic properties were characterized for potential application in a white light LED. The third block (yellow, Publication 6, see chapter 14) and the last study within this thesis, ‘Intricacies and Mechanism of p-Doping Spiro-MeOTAD Using Cu(TFSI)2’, ties in with the solvent-free processing, only now no longer of a perovskite layer, but of a charge extraction layer for lead halide perovskite based solar cells. The focus of this project was to understand the exact doping mechanism of an evaporated hole transport material with a co-evaporated dopant and the effect of dopant concentration
on the optoelectronic properties of the respective films. Using this co-evaporation approach, one could further reduce the need for solvents when fabricating perovskite solar cells.