Study and Characterization of Hybrid Organic-Inorganic Perovskites for Solar Cells Applications

Abstract

[ES] Las perovskitas orgánicas-inorgánicas de haluros de metilamonio y plomo y sus mezclas han mostrado propiedades optoelectrónicas óptimas como absorbente ideal para aplicaciones fotovoltaicas. Los dispositivos solares basados en perovskita han evolucionado rápidamente, desde una eficiencia del 3.9% en 2009, al 22.7% en 2017 y con un coste de fabricación más bajo que las células solares de silicio. Una desventaja del uso de absorbentes de perovskita en dispositivos fotovoltaicos es su baja estabilidad. Las células con un alto rendimiento, pierden su eficiencia y se degradan rápidamente. Para poder producir estos materiales industrialmente es necesario realizar estudios en profundidad que mejoren la eficiencia y estabilidad. Una vía de mejora es la ingeniería composicional, estrategia que hemos empleado en la elaboración de esta tesis y que consiste en la investigación y mejora de las propiedades optoelectrónicas y morfológicas, derivadas de la sustitución y/o combinación de cationes y aniones, que constituyen el material de perovskita. Se sintetizaron polvos puros de perovskita de I, Br, Cl, a partir de los cuales se prepararon capas puras y mixtas MAPbX3-xYx, con el objetivo de mejorar sus propiedades optoelectrónicas y estructurales. Los análisis de difracción de rayos X mostraron las propiedades estructurales de los polvos cristalinos y capas puras y mixtas. Los análisis de UV-vis y fotoluminiscencia mostraron que el rango de absorción varía a lo largo del espectro visible en función del contenido del haluro en las capas. Los análisis de fotoluminiscencia y calorimetría diferencial de barrido muestran los cambios de fase de las perovskitas puras a distintas temperaturas, coincidiendo dichos cambios en ambos análisis. El análisis FESEM de las perovskitas puras mostró las diferencias morfológicas entre los polvos y capas. Siguiendo esta línea de investigación, se estudiaron con más detalle las perovskitas mixtas de yodo-bromo, con un contenido de bromo de hasta el 33%, consiguiendo ajustar el bandgap para evitar pérdidas en la absorción y mejorar las propiedades optoelectrónicas, estructurales y morfológicas. A pesar de las buenas propiedades optoelectrónicas de las perovskitas de metilamonio, el catión orgánico disminuye su estabilidad, lo que llevó a investigar otros cationes inorgánicos. Las perovskitas de cesio son una alternativa prometedora, y por esta razón hemos sintetizado capas finas de perovskitas de cesio mixtas, CsPbBr3-xIx, para determinar los efectos que produce la sustitución parcial del yodo en las propiedades físicas y la estabilidad. Se obtuvieron capas con una buena resistencia a la humedad y temperatura, favoreciendo su aplicación en el campo fotovoltaico. Se ha estudiado la sustitución parcial del catión de metilamonio con otros cationes orgánicos, como el guanidinio e imidiazolio. Se demostró que pequeñas cantidades de guanidinio mejoran la estabilidad de las capas y su morfología. Se estableció el límite de solubilidad del guanidinio en el 20%, aproximadamente, y se determinó la estructura cristalina de las mezclas. La intensidad del pico de fotoluminiscencia aumentó para mezclas por debajo del límite de solubilidad. Se obtuvieron resultados similares para la sustitución del metilamonio con pequeñas cantidades de imidazolio. Los análisis de rayos X establecieron el límite de solubilidad en aproximadamente el 10% y una mejora en la cristalinidad. Los resultados de fotoluminiscencia sugieren que pequeñas cantidades de imidazolio reducen significativamente las recombinaciones no radiativas, actuando como un pasivador efectivo. Finalmente, se muestra el proceso de fabricación de dispositivos basados en MAPbI3 y sintetizados en función de las condiciones ambientales y empleando el dietil éter como anti-solvente. Los dispositivos mostraron una eficiencia máxima del 14.73%. Se ha probado que la oxidación del spiro-OMeTAD, bajo condiciones cont

[FR] Les perovskites orgàniques-inorgàniques de halurs de metilamoni i plom i les seues mescles han mostrat propietats optoelectròniques òptimes com a absorbent ideal per a aplicacions fotovoltaiques. Els dispositius solars basats en perovskita han evolucionat ràpidament, passant d'una eficiència del 3.9% en 2009, fins al 22.7% en 2017, i amb un cost de fabricació més baix que les cèl·lules solars de silici. No obstant això, un dels desavantatges de l'ús de absorbents de perovskita és la baixa estabilitat. En general, les cèl·lules que mostren un alt rendiment, perden la seua eficiència i es degraden ràpidament. Per a que aquestos materials puguen ser produits industrialment a gran escala és necessari estudiar-los en profunditat per millorar la eficiència i estabilitat. Una de les vies de millora és l'enginyeria composicional, estratègia que hem emprat en l'elaboració d'aquesta tesi i que consisteix en la investigació i la millora de les propietats optoelectròniques i morfològiques, derivades de la substitució i/o combinació de cations i anions, que constitueixen el material de perovskita. S'han sintetitzat pols purs de perovskita per a I, Br, Cl, a partir d'els quals es van preparar capes pures i mixtes MAPbX3-xYx per a millorar les propietats optoelectròniques i estructurals. Mitjançant anàlisi de difracció de raigs X, s'estudiaren les propietats estructurals del pols cristalins i capes pures i mixtes. Els anàlisis d'UV-vis i fotoluminiscència, mostren que el rang d'absorció varia al llarg de l'espectre visible en funció del contingut de l'halur. Les anàlisis de fotoluminiscència i calorimetria diferencial mostren els canvis de fase de les perovskites pures a diferents temperatures, coincidint aquestos canvis en totes dues anàlisis. L'anàlisi FESEM de les perovskites pures, mostra les diferències morfològiques entre els pols i capes. Seguint aquesta línia d'investigació, s'estudiaren les perovskites mixtes de iode-brom, amb un contingut de brom de fins el 33%, ajustant el bandgap per a evitar pèrdues en l'absorció i millorar les propietats optoelectròniques, estructurals i morfològiques. Malgrat les bones propietats optoelectròniques de les perovskites de metilamoni, el catió orgànic disminueix la estabilitat, la qual cosa ha portat a investigar l'ús d'altres cations inorgànics. Les perovskites de cesi són una alternativa prometedora, i per aquesta raó hem sintetitzat capes fines de perovskites de cesi mixtes, CsPbBr3-xIx, per tal de determinar els efectes de la substitució parcial del iode en les propietats físiques i l'estabilitat. Es van obtenir capes amb una bona resistència a la humitat i a la temperatura, afavorint la seua aplicació en el camp fotovoltaic. S'ha estudiat també la substitució parcial del catió de metilamoni amb altres cations orgànics, com el guanidini i imidiazoli. S'ha demostrat que petites quantitats de guanidini milloren l'estabilitat i la morfologia de les capes. S'ha establert que el límit de solubilitat del guanidini es del 20%, aproximadament, i s'ha determinat l'estructura cristal·lina de les mescles. S'ha observat un augment en la intensitat del pic de fotoluminiscència per a mescles per sota del límit de solubilitat. Es van obtenir resultats similars per a la substitució del metilamoni amb petites quantitats de imidazoli. Les anàlisis de difracció de raigs X van establir el límit de solubilitat en aproximadament el 10% i una millora en la cristalinitat. Els resultats de fotoluminiscència suggereixen que petites quantitats de imidazoli redueixen les recombinacions no radiatives, actuant com un pasivador efectiu. Finalment, es mostra el procés de fabricació de dispositius basats en MAPbI3 i sintetitzats en funció de les condicions ambientals, especialment la humitat relativa i utilitzant el dietil èter com anti-solvent. Els dispositius van mostrar una eficiència màx

[EN] Organic-inorganic methylammonium lead halides perovskites and their mixtures have shown optimal optoelectronic properties as an ideal absorber for photovoltaic applications. In the last decade, solar devices based on perovskite have evolved rapidly, going from an initial efficiency of only 3.9% in 2009, to an efficiency of 22.7% in 2017 and being, at the same time, more cost-effective than silicon solar cells. However, one of the main disadvantages when using perovskite absorbents in photovoltaic devices is their low stability. In general, cells that show high performance lose their efficiency and degrade rapidly. For these materials to be scalable it is necessary to carry out in-depth studies aiming at improved efficiency and stability. One of the main sources to improve stability and efficiency is compositional engineering, a strategy employed in the elaboration of this thesis, consisting of the investigation and improvement of the optoelectronic and morphological properties, derived from the substitution and / or combination of cations and anions, which constitute the perovskite material. Pure powders of perovskite were synthesized, for I, Br, Cl, from which pure and mixed MAPbX3-xYx films were prepared in order to improve their optoelectronic and structural properties. By means of X-ray diffraction analysis, the structural properties of crystalline powders and pure and mixed films were studied. Employing UV-vis and photoluminescence analysis, it was observed that the absorption range varied along the visible spectrum as a function of the halide content in the thin films. Both, photoluminescence and differential scanning calorimetry analysis showed the changes of phase of the pure perovskites at different temperatures. FESEM characterization of the pure perovskites showed the morphological differences between the powders and the films. Following this line of research, mixed perovskites of iodine-bromine with a bromine content of up to 33% were studied in more detail. The bandgap was tuned to avoid significant losses in absorption and improve the optoelectronic, structural and morphological properties. Despite the excellent optoelectronic properties of the methylammonium perovskite, the presence of the organic cation decreases its stability, which prompted research into the use of other inorganic cations. Cesium perovskites, are a very promising alternative, and for this reason we synthesized thin films of mixed cesium perovskites, CsPbBr3-xIx, to determine the effects of the partial substitution of iodine on physical properties and stability. Films with a very good resistance to moisture and temperature were obtained, which will favor the application of this type of perovskites in the photovoltaic field. The partial replacement of the methylammonium cation with other organic cations, such as guanidinium and imidiazolium, was also studied, showing that small amounts of guanidinium significantly improve the stability of the films and their morphology. It was established that the solubility limit of guanidinium is approximately 20%, and the crystalline structure of the mixtures was determined. An increase in the intensity of the photoluminescence peak for mixtures below the solubility limit was observed. Similar results were obtained for the substitution of methylammonium with small amounts of imidazolium. X-ray diffraction analyzes established the solubility limit at approximately 10% and an improvement in crystallinity. Photoluminescence results suggest that small amounts of imidazolium significantly reduce nonradiative recombinations, acting as an effective passivator. Finally, the manufacturing process of devices based on MAPbI3 and synthesized according to environmental conditions, especially relative humidity and using diethyl ether as anti-solvent is shown. The devices presented a maximum efficiency of 14.73%, proving that the oxidation of spiro-OMeTAD, under controlled humidity conditions, can improve efficiency.