Different Approaches for Improving the Stability of Hybrid Perovskites

Abstract

[ES] Las perovskitas orgánico-inorgánicas de halogenuros son una familia de materiales estudiados en profundidad por su potencial para construir células solares de alta eficiencia y de bajo coste. Han experimentado un crecimiento exponencial de la eficiencia, pasando del 3% del PCE en 2009 a más del 25% en 2021. Pero todavía quedan retos por superar, como la estabilidad. El objetivo del trabajo es estudiar diferentes tipos de HOIP para aplicaciones fotovoltaicas, incluyendo la optimización del proceso de fabricación y la caracterización completa mediante el análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de escaneo de emisión de campo, microscopio de fuerza atómica, fotoluminiscencia, UV-absorción visible, cálculo de band-gap, microscopía electrónica de transmitancia, simulación teórica y estudio de degradación de las películas. El objetivo del análisis es obtener la cristalinidad, morfología, topografía, propiedades ópticas, PCE y estabilidad de las capas. Se utilizaron varias estrategias para cumplir el objetivo del trabajo, incluyendo el dopaje con distintos compuestos, la ingeniería de extinción antisolvente y el cambio del catión "B" en la fórmula de las perovskitas; ABX3. La presente disertación se centra en el yoduro de plomo de metilamonio III (CH3NH3I3), que es conocido por presentar una absorción directa de bandgap desde la parte superior de la banda de valencia hasta la parte inferior de la banda de conducción. El bandgap puede modificarse fácilmente variante A, B y X y modularse mediante la selección adecuada de cationes mixtos. Entre las combinaciones posibles, el catión MA y el metal Pb2+ han mostrado excelentes propiedades optoelectrónicas, capas procesables en disolución a baja temperatura y potencial para una estabilidad adecuada, debido a la movilidad del portador de carga muy alta, la gran longitud de difusión de electrones y agujeros, grandes coeficientes de absorción, y bajas tasas de recombinación no radiativa. Concretamente, este doctorado se compone de cuatro artículos: - Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping - Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films - Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering - Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells En resumen, el dopaje de bismuto mejoró la estructura cristalina de la capa absorbente de MAPbI3, mejorando las propiedades optoelectrónicas, la morfología de la superficie de las capas y la estabilidad de los dispositivos. Se estudió el dopaje con bismuto introduciendo cantidades variables de bismuto entre el 1 y el 8% en la solución inicial. Los mejores resultados se obtuvieron con un 2% de bismuto. También se analizó el dopaje con TBA introduciendo diferentes proporciones en la mezcla inicial para la síntesis de capas de MAPbI3. Observamos que un 5% de TBA reduce la densidad de agujeros en las capas y mejora la cristalinidad, mejorando la estabilidad de las capas MAPbI3. Con la proporción óptima de TBA, aumenta el tamaño del grano y la intensidad de la fotoluminiscencia, debido a la disminución de los centros de recombinación. Dado que el plomo es un elemento contaminante, sustituimos a Pb por Sn para obtener capas de MASnI3, lo que provocó un aumento del tamaño del grano y una mejora del coeficiente de absorción de la luz. Sin embargo, el MASnI3 es más inestable que el MAPbI3. Por eso, se utilizaron diferentes antisolventes en la síntesis de MASnI3. Conocida como ingeniería antisolvente, esta técnica estudia varios antisolventes. En este trabajo, el tolueno ha logrado mejorar la estabilidad de las capas de MASnI3. Utilizando un enfoque numérico mediante SCAPS-1D, se calculó que la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos de MASnI3 aumenta un 9,5% en comparación con los dispositivos de MAPbI3.

[CAT] Les perovskites orgàniques-inorgàniques d'halogenurs són una família de materials estudiats en profunditat pel seu potencial per construir cèl·lules solars d'alta eficiència i de baix cost. Han experimentat un creixement exponencial de l'eficiència, passant del 3% del PCE el 2009 a més del 25% el 2021. Però encara queden reptes per superar, com l'estabilitat. L'objectiu d'aquest treball és estudiar diferents tipus de HOIP per a aplicacions de cèl·lules solars, incloent l'optimització del procés de fabricació i la caracterització completa mitjançant l'anàlisi de difracció de raigs X, microscòpia electrònica d'escaneig d'emissió de camp, microscopi de força atòmica, fotoluminescència, UV- absorció visible, càlcul de band-gap, microscòpia electrònica de transmitància, simulació teòrica amb SCAPS-1D i estudi de degradació de les pel·lícules. L'objectiu de l'anàlisi és obtenir la cristalinitat, morfologia, topografia, propietats òptiques, PCE i estabilitat de les capes. Es van utilitzar diferents estratègies per complir l'objectiu del treball, incloent el dopatge amb diferents compostos, l'enginyeria d'extinció antisolvent i el canvi del catió "B" en la fórmula general de les perovskites; ABX3. La present dissertació se centra en el iodur de plom de metilamoni III (CH3NH3I3), que és conegut per presentar una absorció directa de bandgap des de la part superior de la banda de valència fins a la part inferior de la banda de conducció. El bandgap es pot modificar fàcilment variant A, B i X i modular-se mitjançant la selecció adequada de cations mixts. Entre les combinacions possibles, el catió MA i el metall Pb2+ han mostrat excel·lents propietats optoelectròniques, capes processables en dissolució a baixa temperatura i potencial per a una estabilitat adequada, a causa de la mobilitat del portador de càrrega molt alta, la gran longitud de difusió d'electrons i forats, grans coeficients d'absorció, i baixes taxes de recombinació no radiativa. Concretament, aquest doctorat es compon de quatre articles: -Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping -Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films -Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering -Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells En resum, el dopatge de bismut ha millorat l'estructura cristal·lina de la capa absorbent de MAPbI3, millorant les propietats optoelectròniques, la morfologia de la superfície de les capes i l'estabilitat dels dispositius. Es va estudiar el dopatge amb bismut introduint quantitats variables de bismut entre l'1 i el 8% en la solució inicial. Els millors resultats es van obtenir amb un 2% de bismut. També es va analitzar el dopatge amb tetrabutilamoni introduint diferents proporcions de TBA a la mescla inicial per a la síntesi de capes de MAPbI3. Observem que afegir un 5% de TBA a la mescla inicial redueix la densitat de forats a les capes i millora la cristal·linitat, millorant en l'estabilitat de les capes MAPbI3. Amb la proporció òptima de TBA, augmenta la mida del gra i la intensitat de la fotoluminescència, a causa de la disminució dels centres de recombinació. Com que el plom és un element contaminant, vam substituir Pb per Sn per obtenir capes de MASnI3, cosa que va provocar un augment de la mida del gra i una millora del coeficient d'absorció de la llum. Tanmateix, el MASnI3 és més inestable que el MAPbI3. Per això, es van utilitzar diferents antisolvents en la síntesi de MASnI3. Coneguda com a enginyeria antisolvent, aquesta tècnica estudia diversos antisolvents. En este treball, el toluè ha aconseguit millorar l'estabilitat de les capes de MASnI3. Utilitzant un enfocament numèric mitjançant SCAPS-1D, hem calculat que l'eficiència dels dispositius fotovoltaics basats en MASnI3 augmenta un 9,5% en comparació amb els dispositius de MAPbI3.

[EN] Halide Organic-Inorganic Perovskites are a family of materials that have been studied in depth due to their potential for building high-efficiency and low-cost solar cells. In recent years, they have experienced exponential growth in efficiency, going from 3% of PCE in 2009 to over 25% in 2021. But still, there are numerous challenges to overcome, such as stability. The purpose of this work is to study different kinds of HOIPs for solar cell applications, including the optimization of the manufacturing process and the complete characterization by the analysis of Xray-diffraction, Field Emission Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscope, photoluminescence, UV-visible absorption, band-gap calculation, Transmittance electron microscopy, theoretical simulation with SCAPS-1D, and degradation study of the films. The objective of the analysis is to obtain crystallinity, morphology, topography, optical properties, PCE, and stability of the layers. Different strategies were used to fulfil the goal of the work, including doping with different compounds, antisolvent quenching engineering, and changing the cation "B" in the general formula of perovskites; ABX3. The present dissertation is focused in methylammonium lead iodide III (CH3NH3I3), which is known for exhibiting direct bandgap absorption from the top of the valence band to the bottom of the conduction band. The bandgap can be easily modified by varying A, B, and X and modulated by the suitable selection of mixed cations. Among the possible combinations, MA cation and metal Pb2+ have exhibited excellent optoelectronic properties, low-temperature solution-processable films, and potential for appropriate stability, due to very high charge-carrier mobility, large electron and hole diffusion length, large absorption coefficients, and low nonradiative recombination rates. Specifically, this PhD is composed of four papers: - Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping - Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films - Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering - Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells To sum up, bismuth doping has improved the crystalline structure of the absorbent layer of MAPbI3, which leads to a significant improvement in the optoelectronic properties, the morphology of the surface of the layers, and even improves the stability of the devices. Bismuth doping was studied introducing variable amounts of bismuth between 1 and 8% in the initial solution. Best results were obtained with 2% bismuth. Doping with tetrabutylammonium (TBA) was also analysed by introducing different proportions of TBA in the initial mixture for the synthesis of MAPbI3 layers. We observed that adding 5% TBA to the initial solution reduces the density of pinholes in the layers and improves crystallinity, which leads to a considerable improvement in the stability of the MAPbI3 layers. With the optimal proportion of TBA, it is possible to increase the grain size and the intensity of the photoluminescence, due to the decrease in recombination centres. Since lead is a polluting element, we substituted Pb for Sn to obtain MASnI3 layers, which led to increasing grain size and enhancing light absorption coefficient. However, MASnI3 shells are more unstable than MAPbI3 shells. To overcome this, different anti-solvents were used in the synthesis of MASnI3 shells. Known as antisolvent engineering, this technique studies several antisolvents. In our work, toluene has managed to improve the stability of the MASnI3 layers. Using a numerical approach using SCAPS-1D, we have calculated that the efficiency of photovoltaic devices (PCE) based on MASnI3 increases by 9.5% when compared to devices based on MAPbI3.