Investigation on the material stability of metal-halide perovskite semiconductors

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-04-16
Issue Year
2019
Authors
Tang, Xiaofeng
Editor
Abstract

Great success has been achieved by using metal-halide perovskites in optoelectronic applications, including solar cells, photodetectors and light-emitting diodes. To date, perovskite solar cells have achieved power conversion efficiency up to 23.7%, which is very promising as a next-generation photovoltaic technology. However, the instability of metal-halide perovskites remains as an obstacle in real applications. This thesis targets to give systematic investigations on the limitations in metal-halide perovskites, which may provide the guidance for future research and development of perovskite optoelectronics.

The first part of this thesis focuses on the environmental stability of metal-halide perovskites. Perovskite materials are subjected to different environmental atmospheres (nitrogen, vacuum and air) under several stresses: heat, light illumination and electrical field. Perovskite films are stable in an inert atmosphere (nitrogen gas) under several ageing conditions. The instability under vacuum is explained by the high volatility of the organic component (CH3NH3I). A fast degradation in air is observed under the combined influence of oxygen, water and light illumination. Therefore, this part concludes the joint influence of atmospheres on the degradation of perovskite and highlights the exploration of encapsulation is crucial in overcoming the chemical degradation of metal-halide perovskites.

The second part of this thesis investigates the phase stability of metal-halide perovskites. Phase transition of CH3NH3PbI3 is investigated by temperature-dependent electrical characterizations, showing an enhanced conductivity below 160 K by a tetragonal-orthorhombic phase transition. The phase segregation of mixed-halide perovskites is investigated by a combination of macroscopic and local-resolved characterizations. Photo-induced phase segregation causes a shift of the photoluminescence and X-ray diffraction peaks. Scanning probe microscopy combined with confocal optical spectroscopy shows that phase segregation is preferentially occurring at the grain boundary rather than the grain bulk. This important result indicates that an effective passivation of grain boundary may ultimately suppress the undesired phase segregation.

The third part of this thesis provides investigations on the processing of perovskite films, especially um-thick perovskite films. Electrodeposition and post-treatments are developed to reproducibly fabricate um-thick perovskite films. The thickness of perovskite films can be precisely controlled by confining deposition time. A series of characterizations demonstrate high quality of as-generated perovskite films. The general applicability of this method is confirmed by a series of mixed-halide perovskites. The processing stability of electrodeposition and post-treatments may not only open the door for the scalable deposition of high-quality um-thick perovskite films, but also provide a reference in fundamental investigations of perovskite materials.

Abstract

Große Erfolge in der Optoelektronik konnten mit der Metal-Halogenid-Perowskit Technologie, im speziellen für Solar-Zellen, Photodetektoren und Licht emittierenden Dioden, erreicht werden. So erreichen Perowkit-basierende Solarzellen Wirkungsgrad von bis zu 23.7%. Das größte Problem von Perowskit-basierenden Bauteilen ist deren Instabilität. In dieser Doktorarbeit werden systematisch die Ursachen für die Instabilität der Perowskit-basierende Bauteile und des reinen Materialsystems untersucht. Wir sehen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit als eine wichtige Orientierungshilfe für zukünftige Perowskit-basierende Bauteile an.

Der erste Teil untersucht die Stabilität von Perowskit-Proben unter verschiedenen Atmosphären (Stickstoff, Vakuum und Luft). Die Perowskit-Proben sind stabil unter reiner Stickstoffatmosphäre. Unter Vakuum jedoch sind die Proben instabil und es konnte gezeigt werden, dass die organische Komponente des Perowskits als CH3NH3I ausgast und entsprechende Fehlstellen im Perowskit erzeugt. Auch sind die Proben in der Lust instabil und die chemische Prozesse mit Sauerstoff und Wasser wurden untersucht. Des weiteren konnte eine erhöhte Instabilität unter gleichzeitiger Beleuchtung gezeigt werden.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Phasenstabilität von Metall-Halogenid-Perowskit. Es konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Temperaturen der Phasenübergang zur orthorombischen Phase mit einer höheren Leitfähigkeit und höheren Ladungsträger Mobilität einhergeht. Auch wurde die Phasentrennung bei sogenannten gemischten Halogenid-Perowskit-Halbleitern untersucht. Die Phasentrennung wurde mittels Lumineszenz auch Röntenbeugung untersucht. Auch wurden die Proben ortsaufgelöst untersucht und es konnte gezeigt werden, dass es vorwiegend an den Korngrenzen zu einer Phasentrennung kommt. Dieses Resultat zeigt die Wichtigkeit einer Passivierung.

Der dritte Teil zeigt eine hoch interessante Fertigungsmethode für dicke Perowskit-Filme. Diese Fertigungsmethode basiert auf einen elektrochemischen Abscheideprozess. Eine hohe Qualität der Filme wie auch eine präzise Kontrolle der Film-dicke konnte gezeigt werden. Dieser Prozess wurde optimiert und u.a. an gemischten Halogenid-Perowskit-Systemen angewendet. Im Speziellen sei auf eine mögliche Anwendung in der Industrie hingewiesen und wir sehen die vorliegende Arbeit als Basis für eine solche Anwendung an.

DOI
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