High Throughput Engineering of Hybrid Perovskite Semiconductors for Photovoltaic Applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-02-25
Issue Year
2019
Authors
Chen, Shi
Editor
Abstract

In the past few years, lead-based perovskite solar cells have been extensively explored and investigated owning to the high power conversion efficiency exceeding 23%, and the corresponding mixed compositions including the hybrid of organic cations and / or halides are widely and largely proposed. In order to satisfy the demand for composition optimizations and explorations, high throughput synthesis and characterization is required to be urgently developed. Associated with perovskite compositions, the photo-induced phase segregation of mixed halide perovskites and the radiative open-circuit voltage (Voc) along with the voltage loss mechanism in different bandgap perovskites also require a deep investigation and understanding. In the first part of this thesis, our high throughput platform has been successfully employed in the automatic synthesis and characterization of 95 kinds of three-dimensional (3D) perovskites and 31 kinds of quasi two-dimensional (2D) perovskites. The photoluminescence (PL) and absorbance spectra of the samples are rapidly and automatically recorded by our spectrometer, allowing us to produce a large 3D perovskite database including PL peaks, bandgaps and intrisic stability under dark. A similar quasi-2D perovskite database is also created with the extra addition of average PL lifetime. Phase analyses confirm that our high throughput synthesis output very reliable 3D and quasi-2D perovskites. In the second part of this thesis, we screen out four kinds of perovskite compositions with an optical bandgap of ~1.75 eV according to 3D perovskite database, and find that the photo-induced phase separation can be indeed suppressed in both Cs-methylammonium (MA) and Cs-formamidinium (FA) films. The strategy of PbI2 passivation pushes the Voc to 1.17, 1.12 and 1.16 V for Cs-MA, Cs-FA and MA-FA devices, respectively, which are extremely close to the 1.2V record for ~40% bromide perovskites. Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) and Indene-C60 bisadduct (ICBA) are adopted as electron transport layer in MAPbBr3 (with a bandgap of ~2.3 eV) devices to produce a Voc of 1.32 and 1.50V, respectively, which can be well explained by ICBA’s higher lowest unoccupied molecular orbital level over the one of PCBM. In the third part of this thesis, the joint analysis of electroluminescence spectroscopy and Fourier transform photocurrent spectroscopy produces a radiative Voc (Voc,rad) of 1.94 V at 295 K, leading to a ΔVoc (Voc,rad - Voc) of 0.44 V in MAPbBr3 device. At lower temperatures, a small uptrend is observed in ΔVoc and Voc experiences no significant variation around 1.5 V, suggesting that the contact material (ICBA), rather than non-radiative bulk recombination, is a major limitation for the Voc of MAPbBr3 device. In addition, a Voc,rad of 1.48-1.49 and 1.02 V is obtained in perovskite compositions with a bandgap of ~1.75 and ~1.25 eV, resulting in a ΔVoc of 0.32-0.36 and 0.3 V, respectively. Both ΔVoc values are beyond the range of 0.1-0.3 V in normal perovskite (~1.6 eV) device, suggesting slightly stronger non-radiative recombination in our device. These findings provide an alternative strategy to efficiently screen novel perovskites in a high-throughput approach, and further significantly promote the invention of novel perovskites for device engineering and the deep understanding of device mechanism.

Abstract

In den letzten Jahren konnte durch umfangreiche Erforschung und Untersuchung von bleibasierten Perowskit-Solarzellen ein Wirkungsgrad von über 23% erreicht werden. Dabei werden vor allem die entsprechenden Mischzusammensetzungen, wie etwa die Hybride aus organischen Kationen und / oder Halogeniden, vorgeschlagen. Um die Nachfrage nach Zusammensetzungsoptimierungen und -untersuchungen zu befriedigen, ist eine Hochdurchsatzmethode für Synthese und Charakterisierung dringend notwendig. Neben der Perowskitzusammensetzung, muss auch die photoinduzierte Phasentrennung gemischter Halogenidperowskite und die strahlende Leerlaufspannung (engl.: open-circuit voltage (Voc)), mitsamt der Spannungsverlustmechanismen von Perowskite mit hoher Bandlücke, tiefer untersucht und verstanden werden. Im ersten Teil der Arbeit wurde unsere Hochdurchsatzplattform erfolgreich für die automatische Synthese und Charakterisierung von 95 dreidimensionaler (3D) und 31 quasi zweidimensionaler (2D) Perowskitarten eingesetzt. Die Photolumineszenz- (PL) und Absorbanzspektren, welche durch unser Spektrometer automatisch erfasst werden, erlauben es uns eine große Datenbank von 3D Perowskite, bestehend aus PL-Maximum, der Bandlücke und der intrinsischen Stabilität im Dunkeln, zu erzeugen. Für quasi-2D Perowskite wurde eine ähnliche Datenbank, welche zusätzlich noch die durchschnittliche Photolumineszenzlebenszeit beinhaltet, angelegt. Phasenanalysen bestätigen, dass unsere Hochdurchsatzsynthese sehr zuverlässig 3D und quasi-2D Perowskite erzeugt. Im zweiten Teil der Arbeit haben wir aus unserer 3D-Perowskitdatenbank vier Zusammensetzungen mit einer Bandlücke von etwa 1,75 eV ausgewählt und fanden heraus, dass die photoinduzierte Phasentrennung in Cs-Methylammonium- (MA) und Cs-Formamidiniumfilmen (FA) unterdrückt werden kann. Die Vorgehensweise der PbI2-Passivierung erhöht die Voc von Cs-MA, Cs-FA und MA-FA basierten Solarzellen auf jeweils 1,17 V, 1,12 V und 1,16 V, welche äußerst nahe an den Rekordwert von 1,2 V für Perowskitsolarzellen mit ~40% Br heranreichen. Durch Phenyl-C61-butylsäuremethylester (PCBM) und Inden-C60 bisadduct (ICBA) (Bandlücke von ~2,3 eV) als Elektronentransportschicht können in MAPbBr3 basierten Solarzellen Leerlaufspannungen von jeweils 1,32 V und 1,50 V erreicht werden, was sehr gut durch das höhere Level des niedrigsten unbesetzten Orbitals von ICBA gegenüber PCBM erklärt werden kann. Im dritten Teil der Arbeit wird durch eine gemeinsame Analyse mittels Elektrolumineszenzspektroskopie und Fourier-Transform-Photostrom-Spektroskopie eine radiative Voc (Voc,rad) von 1,94 V bei 295 K ermittelt, welche zu einer ΔVoc (Voc,rad - Voc) von 0,44 V in MAPbBr3 basierten Solarzellen führt. Bei niedrigeren Temperaturen kann, bei nahezu unveränderter Voc von 1,5 V für ICBA, ein kleiner Aufwärtstrend von ΔVoc beobachtet werden, was darauf hinweist dass eher das Kontaktmaterial (ICBA), als die nichtstrahlende Rekombination im Hauptteil, die Voc von MAPbBr3 basierten Zellen limitiert. Zusätzlich wurde eine Voc,rad von 1,48-1,49 V und 1,02 V für Perowskitzusammensetzungen mit einer Bandlücke von ~1,75 V und ~1,25 eV beobachtet, was in einer ΔVoc von 0,32-0,36 und 0,3 V resultierte. Beide ΔVoc Werte liegen oberhalb von 0,1-0,3 V für normale Perowskite (~1.6 eV), was eine etwas höhere nichtstrahlende Rekombination in unseren Zellen offenbart. Diese Forschungsergebnisse liefern eine alternative Strategie für effizientes Rastern von neuartigen Perowskite via Hochdurchsatzmethoden und fördern maßgeblich das Verständnis der Solarzellenmechanismen und die Invention neuartiger Perowskite.

DOI
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