Charge Transport & Optoelectronic Properties of Lead Halide Perovskites for Photovoltaic Applications

Abstract

Organic-inorganic halide perovskites exhibit outstanding optical and electrical properties, positioning them as a highly promising candidate for applications in photovoltaics and optoelectronics. Halide perovskites are mostly studied for solar cell applications due to their low-cost easy synthesis process and high efficiency of over 26.1 %. To increase the efficiency of perovskite solar cells (PSCs), various interface engineering techniques, including the surface passivation of the perovskite contacted interfaces have been vigorously studied. Even though engineering to improve efficiency is important, from the physical point-of-view, understanding what happens at the bare interfaces is equally important as space charge layers are generated. For the electron transport layer in PSCs, n-type metal oxides are normally used, and among those, tin oxide (SnO2) is notable for its excellent optical and electrical properties and easy synthesis process. In this work, we first focused on investigating the interfacial effect at the interfaces of SnO2 in PSCs. The space charge effect between indium-doped tin oxide (ITO) and SnO2 was studied and its role in PSCs was discussed first. SnO2 thickness was controlled to study the space charge effect at the ITO/SnO2 interface. Conductive atomic force microscopy (C-AFM) and transfer length measurement (TLM) were used to identify an electron depletion effect when SnO2 was very thin (~10 nm). The series resistance from PSCs using the same thicknesses of SnO2 showed the same trend, consistent with the C-AFM and TLM results which show evidence that space charge layers in PSCs are important and must be understood to further improve charge transport at the interfaces. Methylammonium lead iodide (MAPbI3) is a mixed ionic and electronic conductor. Hence, revealing the ionic effect at the interface between MAPbI3 and SnO2 is crucial but not fully understood. Here, we discuss the chemical interaction between SnO2 and MAPbI3 to understand how ions behave at the interface by controlling MAPbI3 thickness. Transmission electron microscopy combined with energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) identified ion diffusion into the SnO2 layer. To further understand the chemical interaction between these two materials, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and XPS were applied to SnO2 nanoparticles immersed in MAPbI3 solution. This displayed lead and oxygen interaction with iodide as a counter ion that is expected to be the cause of ion diffusion. Our observation provides evidence that ions move to the interface of SnO2 which will generate a space charge layer that will affect charge transport. Finally, we move our focus to the perovskite material itself. There exist several interfaces in PSCs which all somehow affect device performance and stability. Removing charge transport layers to simplify the PSC structure is a strategy to reduce the number of interfaces. To make the device work without a charge transport layer, doping perovskite is one possible solution. Herein, to understand how doping affects the stability and physical and chemical properties in lead halide perovskite, we grew MAPbBr3 single crystals and doped them with heterovalent. Bismuth (Bi) ions which have been reported to dope perovskite successfully. By adjusting the Bi concentration in the perovskite solution, we could adjust the doping concentration of our grown single crystals. We discussed the optical and electrical properties and stability of the samples with X-ray diffraction, UV-Visible spectroscopy, photoluminescence, space-charge limited current, XPS, and thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry (TGA-DSC). Bismuth doping improves the electrical conductivity of MAPbBr3 but generates defects and accelerates degradation, making it not a suitable dopant for device applications. These findings suggest a meaningful approach to understanding doped perovskite materials for use in optoelectronic devices.;유기-무기 하이브리드 할로겐 페로브스카이트는 우수한 광학적 및 전기적 특성을 지니고 있어 태양진지, 발광 다이오드, 고아 검출기 등과 같은 광전자소자에 적용할 수 있는 잠재력을 가지는 물질입니다. 특히, 저비용의 쉬운 합성 공정과 26.1% 이상의 높은 효율을 보여주어 태양전지소자 연구에 활발히 사용되고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키는 방법으로 페로브스카이트 박막과 전하수송층의 계면에 새로운 층을 추가하거나 표면 처리를 적용하는 방법이 활발하게 연구되었습니다. 소자 효율을 개선시키기 위한 엔지니어링도 중요하지만 물리적 관점에서 볼 때 계면에서 생성되는 공간 전하 층이 어떻게 형성되며 전하 수송에 어떠한 영향을 주는지 이해하는 것도 마찬가지로 중요합니다. 페로브스카이트 태양전지의 전자수송층으로는 일반적으로 n형 금속산화물이 사용되며, 그 중에서도 산화주석(SnO2)이 우수한 전기적, 광학적 특성과 저온 합성 공정이 가능하여 가장 널리 사용되고 있습니다. 본 연구에서는 페로브스카이트 태양전지 내 SnO2의 계면 효과와 소자 효율에서의 역할 이 먼저 논의되었습니다. 투명전극인 인듐산화주석 (ITO)과 SnO2 사이의 공간 전하 효과를 확인하기 위해 SnO2의 두께를 제어했으며 conductive atomic force microscopy (C-AFM)과 transfer length measurement (TLM)을 이용하여 발견하였습니다. SnO2가 매우 얇을 때(~10nm) 전자 공핍 효과가 두드러지게 나타나는 현상도 확인하였습니다. 분석에 사용된 SnO2 두께를 태양전지에 동일하게 적용해 태양전지 효율과 직렬저항이 C-AFM 및 TLM 결과와 일치하는 경향을 나타냈습니다. 이를 통해 계면에서 형성되는 공간 전하층의 이해가 태양전지의 전하 수송과 효율을 향상시키는 방법을 제시하는 방안에 기여할 수 있습니다. 전형적인 할라이드 페로브스카이트 물질인 메틸암모늄 납 요오다이드(MAPbI3)는 이온과 전자를 모두 전도체로 가지는 물질입니다. 따라서 MAPbI3와 SnO2 사이의 계면에서 이온 효과를 밝히는 것이 중요하지만 완전히 이해되지는 않았습니다. 본 연구에서는 MAPbI3 두께를 제어하여 계면에서 이온이 어떻게 작용하는지 이해하기 위해 SnO2와 MAPbI3 사이의 화학적 상호 작용에 대해 논의하였습니다. Transmission Electron Microscopy and Eenrgy Dispersive X-ray Spectroscopy (TEM-EDS) 및 X선 광전자 분광법 (XPS)을 사용하여 MAPbI3에서 SnO2 층으로의 이온 확산이 확인되었습니다. 두 물질 사이의 화학적 상호작용을 더 자세히 이해하기 위해 MAPbI3 용액에 담근 SnO2 나노입자에 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR)을 적용하여 이온 확산의 원인으로 예상되는 납과 산소 상호 작용을 발견했습니다. 이는 MAPbI3 내 이온이 SnO2의 인터페이스로 이동하여 전하 수송에 영향을 미치는 공간 전하층을 생성한다는 증거를 제공합니다. 마지막으로 페로브스카이트 물질 분석으로 초점을 옮깁니다. 태양전지에서 소자 성능과 안정성에 영향을 미치는 계면이 많이 존재합니다. 태양전지 구조를 단순화시키기 위해 전하 수송층을 제거하는 것은 계면의 개수를 줄일 수 있는 하나의 전략입니다. 전하 수송층 없이 소자가 작동하기 위해서는 페로브스카이트를 도핑하는 것이 가능한 솔루션 중 하나입니다. 본 연구에서는 도핑이 페로브스카이트의 물리적 특성과 안정성에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 MAPbBr3 단결정을 성장시키고 비스무스로 도핑하였습니다. 전구체 용액에 비스무스의 양을 조절하여 도핑 농도를 조정하였으며 샘플의 광학적, 전기적 특성을 X선 회절 (XRD), UV-Visible Spectroscopy, photoluminescence, space-charge limited current (SCLC) 측정을 통해, 안전성은 XPS 및 분산 민감도를 이용한 열중량 분석 (TGA-DSC)측정을 사용하여 확인하였습니다. 비스무트 도핑은 MAPbBr3의 전기 전도도를 향상시키지만 결함을 발생시키고 안정성을 저하시켜 광전자 소자 응용에 적합한 도펀트가 아님이 확인됐습니다. 이를 통해 광전자 소자 응용을 위한 적합한 도핑된 페로브스카이트 재료를 이해하는 것이 중요하다는 것을 제시합니다.