In dieser Arbeit werden Defektzustände und Degradationsprozesse in Methylammonium Blei Iodid (MAPbI3) untersucht, das sich in den letzten Jahren als ein gutes Absortionsmaterial in Solarzellen gezeigt hat. Trotz des hohen erreichten Wirkungsgrads von über 22%, fehlt es immer noch an einem Verständnis für einige grundlegende Eigenschaften. Insbesondere wird noch die Rolle der intrinsischen Defekte und Degradationsprozesse diskutiert.
Für die Untersuchungen werden zunächst die besten Herstellungsparameter der MAPbI3-Schichten sowie der kompletten Solarzellen bestimmt. Es wird gezeigt, dass das Hinzufügen von einem Anti-Solvent entscheidend ist, um die hochwertige Schichten herzustellen.
Da die optimierten MAPbI3-Schichten polykristallin sind, spielen die Korngrenzen eine wichtige Rolle für den elektrischen Transport. Für ihre Untersuchung wird ein neuer Ansatz vorgeschlagen. Zu diesem Zweck werden zwei zusammengewachsene Einkristalle unter Verwendung von µ-PL und µ-XPS untersucht, um stöchiometrische Unterschiede an Korngrenzen und im Volumen zu erkennen. Durch den anschließenden Vergleich der Ergebnisse mit den theoretischen Berechnungen anderer Gruppen, wird eine Bildung verschiedener Punktdefekttypen im Perowskit-Bulk und an den Korngrenzen nachgewiesen.
Als nächstes wird die Fallendichteverteilung in MAPbI3 Dünnfilmen mit der Metal-Isolator-Semiconductor (MIS)-Thermal Stimulated Current (TSC) Methode untersucht. Um eine Unterscheidung zwischen den elektronischen Zuständen in der Perowskit/Metall Grenzfläche und im Perowskit zu ermöglichen, werden unterschiedliche Metallkontakte verwendet. Es wird gezeigt, dass sich nur die flache Defektzustände im Perowskit-Bulk ausbilden, wobei sich tiefe Fallenzustände an Metal/Perowskit Grenzfläche ausbilden.
Anschließend wird die Bildung weiterer Fallenzustände während lichtinduzierter Degradationsprozesse unter Verwendung der gleichen optischen und MIS-TSC-Methoden wie im vorherigen Teil untersucht. Es wird gezeigt, dass die Anzahl von tiefen Fallenzuständen während der Degradation stark zunimmt, was zu einer Leistungsreduzierung der Solarzellen führt.
Schließlich werden die Degradationsprozesse in Perowskit Solarzellen untersucht. Es wird gezeigt, dass die Wahl des Kathodenmaterials eine wichtige Rolle bei den Degradationsprozessen in Solarzellen spielt. Insbesondere wurde herausgefunden, dass die Degradation von Solarzellen durch die Benutzung von Ni als Kathode stark unterdrückt werden kann.
Während alle beschriebenen Untersuchungen an MAPbI3 durchgeführt werden, welches toxisches Pb enthält, werden im letzten Teil bleifreie Doppelperowskite betrachtet. Es wird gezeigt, dass obwohl diese Materialien vielversprechende Eigenschaften für PV-Anwendungen aufweisen, die Probleme mit niedrigen Effizienzen und schlechten Stabilitäten nocht gelöst werden müssen.
This thesis explores the defect states and degradation processes in Methylammonium Lead Iodide (MAPbI3), which has shown high suitability for photovoltaic applications as an absorber material during the last years. Despite the high efficiency of over 22%, which was achieved in single-junction solar cells using this material, there is still a lack of understanding of some fundamental properties. In particular, the role of the intrinsic defects and degradation processes for solar cell performance are still under discussion.
In order to investigate these phenomena, the best fabrication parameters of MAPbI3 layers, as well as of the complete solar cells, are determined. It is shown that the application time of an anti-solvent is the most critical parameter for the fabrication of high-quality perovskite layers.
As the optimized MAPbI3 layers are polycrystalline, the grain boundaries play a significant role in electrical transport. For their investigation, a new approach is suggested in the next part. For this purpose, two single crystals, which are grown together, are investigated using µ-PL and µ-XPS in order to detect stochiomety differences at the grain boundaries and in the bulk. Comparing the obtained experimental results with the theoretical calculations from other groups, the formation of specific point defects in the crystal bulk and at the crystal grain boundaries is shown.
Next, the trap density distribution in MAPbI3 thin films is investigated using optical measurements and the Metal-Isolator-Semiconductor (MIS)-Thermal Stimulated Current (TSC) method. To distinguish between trap states, which are located at the perovskite/metal interface and in the perovskite bulk, different metals are used as a top contact. It is found that only shallow defect states are formed in the perovskite bulk, while the formation of deep trap states is observed at the metal/perovskite interface.
Consequently, the formation of further trap states during light-induced degradation processes is investigated using the same optical and MIS-TSC methods as in the previous part. It is shown that the number of shallow defect states does not change much during the stimulated degradation, while strong formation of deep trap states is observed. As the deep trap states are responsible for the non-radiative recombinations, their presence is critical for solar cell performance.
Finally, the degradation processes in the solar cells are investigated. It is shown that the choice of the cathode material plays an important role in the degradation processes in solar cells. In particular, the usage of Ni as top contact material is found to prevent moisture diffusion into the perovskite layer. Therefore, the stability of solar cells could be strongly enhanced by using Ni as a cathode material.
While all described investigations are carried out on MAPbI3, which contains toxic Pb, the last part provides an outlook for lead-free double perovskites. It is shown that, though these materials are promising for PV applications, several challenges still have to be overcome. In particular, low efficiency and stability issues have to be fixed.
