Fabrication and Optoelectronic Properties of Halide Perovskite Solar Cells

Abstract

Methylammonium lead halides (MAPbX3, MA = CH3NH3, X = Cl, I, and Br) are promising for photovoltaic device applications due to their large absorption coefficient, high carrier mobility, high carrier diffusion, however, MAPbI3 decomposed rapidly in the air, limiting their commercial utility. The change of electrical properties of MAPb(I1-xBrx)3 (x = 0.13) perovskite materials exposed under ambient conditions were investigated. The degradation of the perovskite layers depends on their grain size. The potential bending at the grain boundaries and in the intragrains are most likely the reason for the change of charge transport at the perovskite surface. In this thesis, the understanding of the degradation mechanism helps pave the way toward an improved photo-conversion efficiency in perovskite solar cells. The degradation of MAPbI3 release PbI2 as a degradation product, which is toxic. Lead-free non-toxic MASnI3 are great candidate for replacing Pb due to their similar properties. However, the poor quality surface coverage due to rapid crystallinity led to a low of tin-based solar cell performance. We found that the nucleation distribution and crystal growth can be controlled by solvent engineering. The grain size and coverage of MASnI3 films showed huge differences by tuning the volume of DMSO in N,N-dimethylformamide (DMF) solvent. By optimizing the ratio of DMF:DMSO, the high quality of thin films caused the improving device performance and conductivity of MASnI3 thin films. The multiple tin-based mixed iodine and bromine perovskite solar cells (MASn(I1xBrx)3 0  x  1) with controlled the band gap were fabricated. The downward band bending degree and local current intensity were affected by the Br/I ratio. Photo-generated carriers were more effectively separated and collected at GBs with increased Br content, and hysteresis was observed in Br-rich Sn-halide perovskite. The grain size and grain boundaries of perovskite may affect the efficient of charge generation, separation and transport and thereby overall solar cell performance. The stability of the MASn(I1xBrx)3 perovskite device was also improved by the substitution Br content. To enhance the device properties of Sn-based perovskite, the charge separation and transfer at the interface between the electron transport layer and perovskite layer were studied. We directly mapped the characteristics of p-n junctions form at the interface of TiO2 and perovskite. The increase of the built-in voltage when enhancing the ratio FA/MA in FAxMA1xSnI3 perovskite effected the charge separation and injection at the interface. Furthermore, the shift of the Fermi levels and the changes in surface band bending were effected. Our results illustrated the usefulness of KPFM and C-AFM to quantitative electrical information of tin-based perovskite, giving deepening the understanding of charge injection process and guiding the design electron transport material and device structure to improve the photovoltaic performance. ;메틸암모늄 할로겐화 납 (methylammonium lead halides, MAPbI3, MA=CH3NH3, X=Cl, I, and Br)은 큰 흡수 계수, 높은 전하 이동도, 높은 전하 확산거리로인해 매우 유망한 광전 소자로의 응용 가능한 물질로 손꼽힌다. 하지만 MAPbI3는 대기중에서 매우 빠르게 분해되는 점이 상업적 응용의 걸림돌이다. MAPb(I1-xBrx)3 (x=0.13)의 대기중의 전기적 특성 변화를 연구하였다. 페로브스카이트의 열화는 박막의 그레인 크기에 의존한다. 그레인 내부와 경계에서의 포텐셜의 휘어짐은 페로브스카이트 층 표면의 국소적 저항의 변화 때문인 것으로 여겨진다. 이 논문에서 다루는 열화 메커니즘에 대한 이해가 페로브스카이트 태양 전지의 광 전화 효율의 증대에 도움이 될 것이다. MAPbI3가 열화되면서 부산물로 PbI2를 내놓는데, 이는 독성을 가진다. 비납 무독성 MASnI3는 그 유사한 성질로 인해 납 기반 페로브스카이트의 매우 좋은 대체자로 여겨진다. 하지만 빠른 결정화로 인한 낮은 표면 커버리지는 주석 기반의 페로브스카이트의 성능 저하의 원인으로 꼽힌다. 우리는 핵 형성 및 결정 성장이 용매의 처리 공정의 변화로 제어된다는 것을 발견하였다. MASnI3 박막의 그레인 크기 및 커버리지는 N,N-dimethylformamide (DMF) 에 대한 DMSO 의 부피 비율의 조절에 의해 매우 큰 변화를 가져왔다. 우리는 DMF : DMSO 의 비율을 최적화 함으로써 향상된 소자 성능 및 전기 전도도를 갖는 높은 품질의 MASnI3 박막을 제작할 수 있었다. 주석 기반의 아이오딘과 브롬화물의 비율의 조절로 밴드갭이 제어된 다수의 페로브스카이트 태양 전지 (MASn(I1-xBrx)3, 0≤ x ≤ 1)를 제작하였다. 밴드의 아래쪽 휘어짐의 정도와 국소적 전류 세기는 Br/I 의 비율에 영향을 받았다. 광전 전하는 Br 비율을 높임으로써 그레인 경계에서 보다 효율적으로 분리되고 수집될 수 있었고, Br 비율이 높은 할로겐화 주석 페로브스카이트에서 이력 현상이 발견되었다. 페로브스카이트의 그레인의 크기 및 경계가 전하의 생성, 분리 및 수송 및 그로 인한 태양전지의 전체 성능에 영향을 미친다. Br 이온의 첨가로 MASn(I1-xBrx)3 페로브스카이트의 안정도 역시 향상되었다. 주석 기반의 페로브스카이트의 소자 특성의 향상을 위해 전하 수송층과 페로브스카이트 층 사이 경계면에서의 전하 분리 및 수송 특성을 연구하였다. 우리는 TiO2 층과 페로브스카이트 층 사이에 형성된 p-n 접합의 특성을 직접적으로 연구하였다. FAxMA1-xSnI3 페로브스카이트의 FA/MA의 비율 증가로 인한 확산 전위의 증가가 전하의 분리 및 주입에 영향을 끼쳤다. 게다가 페르미 레벨의 변화 및 표면 전위의 변화까지 가져왔다. 우리의 결과는 주석 기반 페로브스카이트의 정량적 전기적 정보 획득을 위한 KPFM 및 C-AFM의 유용성을 보여주고, 전하 주입 과정에 대한 이해를 깊게 해주며 광전 효과의 성능 향상의 위한 전하 수송 물질 및 소자의 구조의 설계를 안내해준다.