TU Darmstadt / ULB / TUprints

Fabrication of methylammonium lead iodide thin films via sequential closed space sublimation

Dachauer, Ralph (2019):
Fabrication of methylammonium lead iodide thin films via sequential closed space sublimation.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009492,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Dissertation_Dachauer_2019.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (38MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fabrication of methylammonium lead iodide thin films via sequential closed space sublimation
Language: English
Abstract:

In this work, the characterization of methylammonium lead iodide (MAPI) layers, which were fabricated from PbI2 and PbCl2 via a sequential (2step) closed space sublimation (CSS) route under high vacuum, is presented. The characterization was carried out by means of scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), UV/VIS absorption spectroscopy, photoluminescence (PL) spectroscopy and in vacuo photoelectron spectroscopy (PES). In addition, the 2step CSS MAPI layers were incorporated into planar solar cells and which were subsequently analyzed. For the transformation of the lead salt layers in the CSS, four substrate temperatures (75 °C, 90 °C, 130 °C, 150 °C) were chosen. The crucible temperatures and transformation times were adjusted to obtain most complete transformations. A high phase purity for the 2step CSS MAPI fabricated from PbI2 and from PbCl2 can be derived from the XRD measurements in the whole substrate temperature range. The SEM measurements show that the morphology of the MAPI layers undergoes significant changes which become more pronounced with increasing substrate temperature and can be separated into three distinct processes taking place simultaneously: the formation of the perovskite by incorporation of MAI into the lead salt grains, the recrystallization of the perovskite grains and an Ostwald ripening like growth of the recrystallized grains. From UV/VIS spectroscopy experiments a band gap of MAPI around 1.58 eV could be derived. The in vacuo PES experiments show the Fermi level pinned to the conduction band minimum. The UV/VIS and PE spectroscopy results appear to be independent on the substrate temperature. Combining the UV/VIS and the PES results, band energy diagrams for PbI2, PbCl2, MAI and MAPI could be created. Those band energy diagrams highlight the importance of a complete reaction of the lead salt on one hand and the avoidance of a MAI capping layer on top of the MAPI absorber, on the other hand. Working solar cells incorporating MAPI layers derived form PbI2 and from PbCl2 could be fabricated for all examined substrate temperatures. However, the efficiencies of the fabricated solar cells were mostly limited to the range of 2-3 %, with few solar cells exceeding 4 %. The reason for this is probably the combination of a hindered charge extraction due to a thin PbI2 interface layer between the MAPI absorber and the FTO/TiO2 electrode with the recombination of photoexcited charge carriers in the MAPI layers. Nevertheless, the relatively large size and the narrow efficiency distribution of the solar cells on one substrate indicate the potential of the 2step CSS process to fabricate solar cells with active areas in the square centimeter regime. Thereby, the unique property of the CSS, the combination of high processing temperatures and a high vacuum environment, is expected to open promising opportunities, especially for research on inorganic perovskite absorber materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Thema dieser Arbeit ist die Charakterisierung von Methylammonium Bleiiodid (MAPI) Dünnschichten, welche mittels sequentieller Closed Space Sublimation (CSS) aus PbI2 und PbCl2 Schichten unter Hochvakuumbedingungen hergestellt wurden. Die so hergestellten Schichten wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenbeugungsexperimenten (XRD), UV/VIS Absorptionsspektroskopie, Photolumineszenzspektroskopie (PL) und in vacuo Photoelektronenspektroskopie (PES) untersucht. Zudem wurden Dünnschichtsolarzellen mit den CSS MAPI Schichten als Absorbermaterial hergestellt. Für die Umwandlung der Bleisalzschichten in der CSS wurden Substrattemperaturen von 75 °C, 90 °C, 130 °C und 150 °C gewählt. Die Tiegeltemperatur und die Umwandlungszeit wurden so angepasst, dass sie eine möglichst vollständige Umwandlung der Bleisalzschichten gewährleisten. Die durchgeführten XRD Experimente zeigen, dass bei allen untersuchten Substrattemperaturen MAPI Schichten mit einer hohen Phasenreinheit hergestellt werden können. Der Vergleich der REM Bilder zeigt, dass sich die Morphologie der Schichten im Zuge der Umwandlung vom Bleisalz zum Perowskiten deutlich verändert und diese Veränderung durch eine höhere Substrattemperatur begünstigt wird. Dabei kann die Entwicklung der Morphologie der Perowskitschicht in drei simultan ablaufende Prozesse unterteilt werden: Die Bildung des Perowskiten durch Einlagerung von MAI in die Bleisalze, eine Rekristallisation der Perowskitkörner und ein Kornwachstum der rekristallisierten Perowskitkörner in einem einer Ostwaldreifung ähnlichen Prozess. Aus UV/VIS Absorptionsexperimenten kann eine Bandlücke im Bereich von 1.58 eV für MAPI abgeleitet werden. In vacuo PES Experimente zeigen, dass das Ferminiveau für alle untersuchten Proben am Leitungsbandminimum liegt. Durch die Kombination der UV/VIS und der PE Spektroskopie Ergebnisse konnten Banddiagramme für PbI2, PbCl2, MAI und MAPI erstellt werden, welche die Notwendigkeit einer vollständigen Umwandlung der Bleisalzschicht zum Perowskiten bei gleichzeitiger Vermeidung einer MAI Schicht auf der MAPI Schicht hervorheben. Aus den von PbI2 und PbCl2 abgeleiteten MAPI Schichten konnten für alle untersuchten Substrattemperaturen funktionierende Solarzellen hergestellt werden. Allerdings blieb die Effizienz dieser Solarzellen meistens auf den Bereich von 2-3 % limitiert. Nur wenige Solarzellen erreichten Effizienzen welche größer als 4 % waren. Der Grund für die niedrigen Effizienzen ist vermutlich die Kombination aus einer dünnen PbI2 Schicht, welche die Ladungsträgerextraktion aus dem MAPI Absorber in die FTO/TiO2 Elektrode behindert, und der Rekombination der photogenerierten Ladungsträger in der Perowskitschicht. Nichtsdestotrotz, weisen die relativ große aktive Fläche der einzelnen Solarzellen und die enge Verteilung der Effizienzen der Solarzellen auf einem Substrat auf das Potential der sequentiellen CSS hin, Solarzellen mit aktiven Flächen im Quadratzentimeterbereich herzustellen. Dabei erscheint die einzigartige Eigenschaft des CSS Prozesses, die Kombination aus hohen Prozesstemperaturen und einer Hochvakuumumgebung, besonders vielversprechende Möglichkeiten für die Herstellung von anorganischen Perowskitabsorbern zu eröffnen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 10 Dec 2019 09:18
Last Modified: 10 Dec 2019 09:18
DOI: 10.25534/tuprints-00009492
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94923
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Clemens, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 5 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9492
Export:
Actions (login required)
View Item View Item