Advanced XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) characterization of lead coordination in perovskite solutions to optimize thin film crystal structures

Abstract

[ES] La creciente demanda de fuentes de energía renovable ha llevado a un interés significativo en el estudio de materiales avanzados para su uso en celdas solares. Las perovskitas han emergido como una opción altamente prometedora en el ámbito fotovoltaico gracias a su destacada capacidad de absorción lumínica y conversión eficiente de energía solar en electricidad. Dado que sus propiedades están intrínsecamente ligadas a su estructura, resulta esencial comprender cómo las variaciones en la química de sus soluciones afectan la formación de iones complejos y, por ende, la estructura final de los cristales sólidos en películas delgadas.

Este proyecto se centra en analizar cómo la química de las soluciones de perovskita influye en la modificación de los iones complejos formados en disolución, con el objetivo principal de incidir en la estructura de los cristales sólidos que emergen durante el procesamiento de películas delgadas. La investigación estudia la complejidad de estos iones utilizando la Espectroscopia de Absorción de Rayos X (XAS), con el fin de interpretar cómo se coordinan los átomos de plomo en solución. Este paso es esencial para comprender de manera integral otros conjuntos de datos complementarios, como UV-Vis (Espectroscopia Ultravioleta-visible), SAXS (Dispersión de Rayos X a Bajo Ángulo) y PDF (Función de Distribución de Pares).

Durante la fase experimental llevada a cabo en el SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), se registró tanto la fluorescencia para todas las muestras como la transmisión para aquellas de baja concentración. Cabe destacar que las muestras se sometieron a un rápido congelamiento mediante nitrógeno líquido y se dispusieron en un criostato de Helio para su subsiguiente medición. Se lograron medir satisfactoriamente 14 muestras, realizando de 3 a 5 mediciones para cada una de ellas.

En las próximas fases del proyecto, se lleva a cabo un análisis de los datos preliminares de absorción en función de la energía, relacionándolos con la intensidad normalizada del rayo incidente. Además, se realiza la transformada de Fourier con la aplicación Larch para obtener χ(R) en función de R, medido en Angstroms, con el fin de determinar las distancias de los enlaces de las diferentes moléculas. Este enfoque persigue identificar y caracterizar estructuras relevantes que permitan orientar el ajuste de los espectros de XAS. Este análisis proporciona información sobre la coordinación de átomos de plomo en solución y su profunda influencia en la formación de estructuras cristalinas en las películas delgadas de perovskita.

[EN] The growing demand for renewable energy sources has led to significant interest in the study of advanced materials for use in solar cells. Perovskites have emerged as a highly promising option in photovoltaics due to their outstanding light absorption and efficient conversion of solar energy into electricity. Since their properties are intrinsically linked to their structure, it is essential to understand how variations in their solution chemistry affect the formation of complex ions and thus the final structure of solid crystals in thin films.

This project focuses on analyzing how perovskite solution chemistry influences the modification of complex ions formed in solution, with the main objective of affecting the structure of the solid crystals that emerge during thin film processing. The research studies the complexity of these ions using X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), in order to interpret how lead atoms are coordinated in solution. This step is essential to comprehensively understand other complementary data sets, such as UV-Vis (Ultraviolet-visible Spectroscopy), SAXS (Low Angle X-Ray Scattering) and PDF (Pair Distribution Function).

During the experimental phase carried out at the SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), both fluorescence was recorded for all samples and transmission for those of low concentration. It should be noted that the samples were flash frozen in liquid nitrogen and placed in a Helium cryostat for subsequent measurement. Fourteen samples were successfully measured, performing 3 to 5 measurements for each sample.

In the next phases of the project, an analysis of the preliminary absorption data as a function of energy is carried out, relating them to the normalized intensity of the incident beam. In addition, the Fourier transform is performed with the Larch application to obtain χ(R) as a function of R, measured in Angstroms, in order to determine the bond distances of the different molecules. This approach aims to identify and characterize relevant structures to guide the fitting of XAS spectra. This analysis provides information on the coordination of lead atoms in solution and its profound influence on the formation of crystalline structures in perovskite thin films.

[CA] La creixent demanda de fonts d'energia renovable ha portat a un interés significatiu en l'estudi de materials avançats per al seu ús en cel·les solars. Les perovskitas han emergit com una opció altament prometedora en l'àmbit fotovoltaic gràcies a la seua destacada capacitat d'absorció lumínica i conversió eficient d'energia solar en electricitat. Atés que les seues propietats estan intrínsecament lligades a la seua estructura, resulta essencial comprendre com les variacions en la química de les seues solucions afecten la formació d'ions complexos i, per tant, l'estructura final dels cristalls sòlids en pel·lícules primes. Este projecte se centra en analitzar com la química de les solucions de perovskita influïx en la modificació dels ions complexos formats en dissolució, amb l'objectiu principal d'incidir en l'estructura dels cristalls sòlids que emergixen durant el processament de pel·lícules primes. La investigació estudia la complexitat d'estos ions utilitzant l'Espectroscòpia d'Absorció de Raigs X (XAS), amb la finalitat d'interpretar com es coordinen els àtoms de plom en solució. Este pas és essencial per a comprendre de manera integral altres conjunts de dades complementàries, com a UV-Vis (Espectroscòpia Ultraviolada-visible), SAXS (Dispersió de Raigs X a Baix Angle) i PDF (Funció de Distribució de Parells). Durant la fase experimental duta a terme en el SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), es va registrar tant la fluorescència per a totes les mostres com la transmissió per a aquelles de baixa concentració. Cal destacar que les mostres es van sotmetre a un ràpid congelament mitjançant nitrogen líquid i es van disposar en un criostato d'Heli per al seu subsegüent mesurament. Es van aconseguir mesurar satisfactòriament 14 mostres, realitzant de 3 a 5 mesuraments per a cadascuna d'elles. En les pròximes fases del projecte, es duu a terme una anàlisi de les dades preliminars d'absorció en funció de l'energia, relacionant-los amb la intensitat normalitzada del raig incident. A més, es realitza la transformada de Fourier amb l'aplicació Larch per a obtindre (R) en funció de R, mesurat en Àngstroms, amb la finalitat de determinar les distàncies dels enllaços de les diferents molècules. Este enfocament perseguix identificar i caracteritzar estructures rellevants que permeten orientar l'ajust dels espectres de XAS. Esta anàlisi proporciona informació sobre la coordinació d'àtoms de plom en solució i la seua profunda influència en la formació d'estructures cristal·lines en les pel·lícules primes de *perovskita.