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Advanced Understanding of the Electronic Properties of Perovskite Solar Cells: Contact Formation, Band Energy Diagrams and involved Surface Photovoltages

Hellmann, Tim (2021):
Advanced Understanding of the Electronic Properties of Perovskite Solar Cells: Contact Formation, Band Energy Diagrams and involved Surface Photovoltages. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019803,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Advanced Understanding of the Electronic Properties of Perovskite Solar Cells: Contact Formation, Band Energy Diagrams and involved Surface Photovoltages
Language: English
Abstract:

Solar cells incorporating organic inorganic metal halide perovskites as the absorber material have achieved power conversion efficiencies of more than 25% after only a decade of research. The extremely rapid improvement in efficiency of perovskite solar cells compared to pre-established absorber materials, such as silicon, cadmium telluride, or gallium arsenide, is mainly due to their cheap and easy low-temperature, solution-processing preparation techniques such as spin coating. To further improve the power conversion efficiency of perovskite solar cells, it is still necessary to develop a fundamental understanding of the device physics. The focus of this work lies, therefore, on investigating the energy band diagram of perovskite solar cells, both in the dark and under illumination at open circuit conditions, predominantly using photoelectron spectroscopy (PES). Two different architectures are investigated and compared: i) the classical architecture where the perovskite absorber is deposited onto the electron extraction layer and ii) the inverted architecture where the perovskite is deposited onto the hole extraction layer. Initial experiments showed that perovskite absorbers are extremely light-sensitive, meaning that even small intensities of background light, like the visible light emitted from the X ray source, can induce a photovoltage which will significantly affect the PES measurements by shifting all spectra to higher or lower binding energies. To shield the sample from the visible light emitted by the X ray source, the setup of the X ray photoelectron spectroscopy (XPS) system used in this work was improved by installing an aluminum window in between the sample and the X ray source. In the next step, a comparative study of several different perovskite absorbers on n type SnO2 (classical) and p type NiOx substrates (inverted architecture) was performed. It was proven that the underlying substrate has no effect on the doping level of the perovskite absorbers, as it has previously been proposed in the literature. The perovskite absorbers are always measured to be n doped. It is suggested that the literature reported substrate effect originates from background light during the measurement. This leads to an unnoticed photovoltage resulting in a binding energy shift of all spectra, which leads to the determination of incorrect doping levels. For both architectures, the majority of the photovoltage and hence the open-circuit voltage of the full device is identified at the n-type perovskite | p-type hole extraction layer interface. The interfaces between the perovskite and the respective hole extraction layer (classical: spiro MeOTAD and inverted: NiOx) were then investigated in detail. For the perovskite | spiro MeOTAD interface a classical step-by-step interface experiment was performed. Since spiro MeOTAD films used in perovskite solar cell devices are usually doped with LiTFSI, at first a vacuum deposition process of LiTFSI doped spiro MeOTAD through co-evaporation of both materials was developed. The interface characterization proved that a band bending occurs in the dark, which changes to a flat band situation under illumination, corresponding to a surface photovoltage. For the inverted architecture, the perovskite | NiOx interface was investigated using the tapered cross-section PES method, which demonstrated the presence of a band bending in the dark as well. Finally, the results from the photovoltage measurements and the detailed interface characterizations were combined to derive complete energy band diagrams for both architectures under dark and illuminated open-circuit conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Solarzellen mit organisch anorganischen Metallhalogenid Perowskiten als Absorber-Material haben nach nur wenigen Jahren in der Forschung Wirkungsgrade von über 25% erreicht. Die rasante Steigerung des Wirkungsgrads von Perowskit Solarzellen im Vergleich zu etablierten Absorber Materialien wie beispielsweise Silizium, Cadmium-Tellurid oder Gallium Arsenid resultiert hauptsächlich aus der Möglichkeit einer einfachen und kostengünstigen Flüssigprozessierung bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise durch eine Rotationsbeschichtung. Um den Wirkungsgrad von Perowskit Solarzellen weiter erhöhen zu können, ist es notwendig ein fundmentales Verständnis des Funktionsprinzips zu entwickeln. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Charakterisierung der Bandenergiediagramme von Perowskit Solarzellen im Dunklen und unter Beleuchtung unter Leerlaufspannungs Bedingungen. Als Analysemethode wird hierbei hauptsächlich Photoelektronen Spektroskopie (PES) verwendet. Es werden zwei verschiedene Solarzellen-Architekturen untersucht und miteinander verglichen: i) die klassische Architektur, bei welcher der Perowskit Absorber auf der Elektron-Extraktionsschicht abgeschieden wird und ii) die invertierte Struktur bei welcher der Perowskit auf der Loch Extraktionsschicht gewachsen wird. In ersten Experimenten konnte aufgezeigt werden, dass Perowskit Absorber extrem sensitiv auf Beleuchtung reagieren, sodass bereits geringe Mengen an Restlicht in der Kammer, zum Beispiel das sichtbare Licht, welches von der Röntgenquelle emittiert wird, ausreichen, um eine Photospannung in dem Perowskiten zu induzieren. Solch eine Photospannung beeinflusst PES Messungen erheblich, da als Folge sämtliche Spektren zu höheren oder niedrigen Bindungsenergien verschoben werden. Um die Probe, während der PES Messung von dem sichtbaren Licht der Röntgenröhre abzuschirmen, wurde das in dieser Arbeit verwendete PES Spektrometer zunächst durch den Einbau eines Aluminiumfensters zwischen Probe und Röntgenquelle aufgerüstet. Im nächsten Schritt wurden verschiedene Perowskit-Absorber auf n-dotiertem SnO2 (klassische Struktur) und p-dotierten NiO¬x-Substraten (invertierte Architektur) hinsichtlich ihrer Dotierung miteinander verglichen, da in der Literatur ein Einfluss des Substrats auf die Dotierung des Perowskit Absorbers abgeleitet wird. Es wurde nachgewiesen, dass das Substrat keinen direkten Einfluss auf die Dotierung des Perowskit Absorbers hat und dass der Perowskit unabhängig von seinem Substrat n dotiert vorliegt. Es wurde angenommen, dass der in der Literatur beschriebene Substrat Effekt aus einer unzureichenden Abschirmung des Perowskiten gegenüber Restlicht in der Messkammer resultiert, welches eine Photospannung induziert, wodurch Messergebnisse falsch interpretiert worden sind. Für beide Architekturen bildet sich ein Großteil der Photospannung, das heißt die offene Klemmspannung der Solarzelle, an der Grenzfläche zwischen dem n dotierten Perowskiten und der p dotierten Loch Extraktionsschicht. Anschließend wurden die Grenzflächen zwischen dem Perowskiten und den jeweiligen Loch Extraktionssichten (klassisch: Spiro MeOTAD und invertiert: NiOx) für beide Architekturen im Detail analysiert. Im Falle der Perowskit Spiro MeOTAD-Grenzfläche wurde ein klassisches Grenzflächenexperiment durchgeführt. Da Spiro-MeOTAD-Schichten üblicherweise mit LiTFSI dotiert sind, wurde zunächst ein Vakuumabscheidungsprozess von LiTFSI-dotiertem Spiro-MeOTAD durch ein Co Verdampfen beider Materialien entwickelt. Die Grenzflächenanalyse belegt, dass im Dunkeln eine Bandverbiegung vorliegt, die unter Beleuchtung durch Ausbildung einer Photospannung in eine Flachband Situation übergeht. Für die invertierte Architektur wurde die Perowskit NiOx Grenzfläche mittels „tapered cross section PES“ untersucht, wobei im Dunkeln ebenfalls eine Bandverbiegung nachgewiesen wurde. In beiden Architekturen ist damit die energiewandelnde Grenzfläche am Lochkontakt nachgewiesen. Schließlich wurden die Ergebnisse der Photospannung Messungen und der Grenzflächenexperimente kombiniert und es konnten Bandenergiediagramme für beide Architekturen im Dunkeln und unter Beleuchtung abgeleitet werden.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 186, VIII Seiten
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: 26 Nov 2021 13:33
Last Modified: 26 Nov 2021 13:33
DOI: 10.26083/tuprints-00019803
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198039
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Date of oral examination: 22 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19803
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