Metal Halide Perovskites: Photophysics and Inkjet Printing of Solar Cells
Creators: name: Nandayapa Bermudez, Edgar Ricardo
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2021
Subjects: subject: Perowskit
subject: Photolumineszenz
subject: Stern-Volmer
subject: Tintenstrahldrucken
subject: Perovskite
subject: Photoluminescence
subject: Inkjet Printing
subject: 537 Elektrizität und Elektronik
subject: 621 Angewandte Physik

description: Metallhalogenid-Perowskite (MHPs) sind Halbleiter, die einzigartige photophysikalische Eigenschaften aufweisen, die sie ideal für photovoltaische Anwendungen machen. Techniken werden kontinuierlich entwickelt, um die Leistungsgrenzen der Perowskite weiter zu verschieben. Dennoch weisen diese Materialien verschiedene Herausforderungen auf. Zu diesen gehören eine geringe Stabilität unter einer Vielzahl von äußeren Bedingungen, sowie eine große Diskrepanz zwischen den Wirkungsgraden von Geräten im Labormaßstab und großflächigen Geräten. Zunächst wurden mit Hilfe von Photolumineszenz-Spektroskopie Ladungsübertragungsmechanismen zwischen MHPs und atmosphärischen Gasen untersucht, um deren Einfluss auf die Materialstabilität zu bestimmen. Durch den Vergleich der Emission von verschiedene MHP wurde die Wirkung untersucht, die atmosphärische Gase auf Grenzdefekte im Material haben. Diese Löschungseffekte wurden nachfolgend mit dem Stern-Volmer-Modell analysiert. Es stellte sich heraus, dass ein Teil von der Gase bindet jedoch an die MHPs, wobei teilweise Kristalldefekte passiviert werden und für jedes der Gase Ladungstransfermechanismen vorgeschlagen wurden. Zweitens wurde die Skalierung von MHP-Bauelementen mittels Tintenstrahldruck untersucht. Dazu wurden drei Kristallisationstechniken ausgewertet. Eine davon verwendete eine sequenzielle Abscheidung von zwei Präkursortinten, während die beiden anderen kristallisierte Tinten verwendeten, die in einem Schritt abgeschieden wurden. Die letztgenannten Techniken verwendeten beide niedrige Drücke und bei einer wurde ein kontrollierter Stickstoffstrom auf die Probe angewendet. Solarzellen mit einer Effizienz von 16,8% auf einer Fläche von 0,16 cm² wurden demonstriert. Diese Ergebnisse zeigen ein neuartiges Verfahren zur Untersuchung von strahlungslosen Verlustwegen in MHPs auf. Zusätzlich demonstrieren diese Studien, dass der Tintenstrahldruck eine geeignete Technologie ist, um MHP-Bauelemente zu skalieren.
description: Metal halide perovskites (MHPs) are semiconductor materials that show unique photophysical properties, making them ideal for photovoltaic applications. Having shown power conversion efficiencies of up to 25.5%, techniques are continuously being developed to push perovskites to unprecedent limits. Yet, these materials present challenges like a low stability under a variety of conditions as well as a large disparity between the efficiencies of lab scale and large area devices. This thesis addresses these two major obstacles. First, charge transfer mechanisms between MHPs and atmospheric gases were studied to determine their effect on the material stability by using photoluminescence spectroscopy. By comparing the emission of MHPs, the effect that molecular oxygen, nitrogen, argon, and water have on boundary defects in the material was studied. These quenching effects were later analyzed using the Stern-Volmer model. It was found that the gases bounce off the surface, but a portion of them bind to the MHPs, in occasions passivating defects on the crystals. Using these results, charge transfer mechanisms were proposed for each one of the gases. Second, scaling of MHP devices was examined using inkjet printing. For this, three crystallization techniques were evaluated. One of them used sequential deposition of two precursor inks, while the other two crystallized ink that was deposited in one step. Both latter techniques used low pressures, below 1 mbar, and only one of them applied a controlled stream of nitrogen to the sample. Using these techniques, the deposition of a 15x15 cm² area as well as a device with an efficiency of 16.8% on an area of 0.16 cm² were demonstrated. These results show a novel procedure to study non-radiative loss paths in MHPs to enhance their stability and performance as devices. Also, they show that inkjet printing is a favorable technology to scale MHP devices and eventually facilitate the mass production of this type of photovoltaic devices.