Hybrid perovskite crystals for photovoltaics
Die Verwendung von Perowskit-Halogenid-Materialien in Perowskit-Solarzellen hat deren Wirkungsgrad in einem relativ kurzen Zeitraum von 15 Jahren auf einen Wert gebracht, der mit dem einer herkömmlichen Silizium-Solarzelle vergleichbar ist. Ihre außergewöhnlichen Eigenschaften und die zahlreichen Möglichkeiten der Zusammensetzungsentwicklung sind für den Bereich der Photovoltaik äußerst vorteilhaft. Die physikalischen Grundlagen für die hohe Leistungsfähigkeit dieser Materialien als lichtempfindliche Schicht müssen jedoch noch weiter untersucht werden. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Erforschung der Ladungsträgerdynamik und der möglichen ferroelektrischen Eigenschaften von MAPbBr3, FAPbBr3, CsPbBr3, Cs2AgBiBr6 Einkristallen und hochkristallinen Filmen von PEA2CsAgBiBr7 und PEA4AgBiBr8. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die Optimierung des Wachstums von Einkristallen und polykristallinen Filmen der oben genannten Materialien mit Lösungswachstumsmethoden sowie das Wachstum aus der Schmelze mithilfe des Bridgman-Ofens durchgeführt. Die resultierenden Materialien wurden als Modellsysteme zur Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften verwendet. Strukturelle und optische Analysen wurden durchgeführt, um die Qualität der chemischen Strukturen und ihre optischen Bandlücken zu ermitteln. Anschließend wurden Polarisationsmessungen durchgeführt, und es wurde keine Ferroelektrizität in den untersuchten Materialien festgestellt, was auf ihre geringfügige remanente Polarisation und die Zentrosymmetrie der Raumgruppen, in denen sie kristallisieren, zurückzuführen ist. Abschließend wurde die Raster-Kelvin-Mikroskopie eingesetzt, um die Ladungsträgerdynamik an den Kristall-Elektroden-Grenzflächen zu untersuchen. Nach dem Anlegen einer Spannung wurden Potenzialabfälle beobachtet, die auf die Ansammlung von Ladungen an den Kristall-Elektroden-Grenzflächen zurückgeführt wurden. Es zeigte sich das interessante Muster, dass die Perowskite, die in den Perowskit-Solarzellen hohe Energieumwandlungswirkungsgrade ermöglichen, den größten Potenzialabfall aufweisen, d. h. die größte Ladungsträgerwanderung und die folgende Akkumulation an den Kristall-Elektroden-Grenzflächen. Eine herausragende Ausnahme ist PEA4AgBiBr8, wo die Ladungsträgerbewegung bei 8 V aktiviert wurde, was höchstwahrscheinlich auf die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Oktaederschichten und den organischen Molekülen des Phenethylammoniums zurückzuführen ist. Das Verständnis der strukturellen, optischen und möglichen ferroelektrischen Eigenschaften sowie der Ladungsträgerdynamik beim Anlegen von Spannung und Beleuchtung aller sechs Halogenidperowskite wurde verbessert und wird für die weitere Forschung an diesen Materialien hilfreich sein.
The use of perovskite halide materials in perovskite solar cells has brought their power conversion efficiencies to a value comparable to that of the conventional Si solar cell in the relatively short period of time of 15 years. Their extraordinary properties and the myriad of possibilities of compositional engineering are extremely advantageous for photovoltaics. However, the physics behind the high performance of these materials as a photosensitive layer still needs further investigation. The main goal of this work was to explore the charge carrier dynamics and possible ferroelectric nature of MAPbBr3, FAPbBr3, CsPbBr3, Cs2AgBiBr6 single crystals and highly crystalline films of PEA2CsAgBiBr7, PEA4AgBiBr8. In the scope of this doctoral thesis, the optimization of the growth of single crystals and polycrystalline films of the materials mentioned above with solution growth methods, as well as growth from the melt method with the use of the Bridgman oven was performed. The resulting materials were used as model systems to investigate their physical properties. Structural and optical analyses were executed to identify the quality of the chemical structures and their optical bandgaps. Afterwards, polarization measurements were performed. No ferroelectricity was detected in the examined materials, due to their insignificant remanent polarization and the centrosymmetry of the space groups in which they crystallize. The Kelvin Probe Force Microscopy technique was employed to examine the charge carrier dynamics at the crystal-electrode interfaces. The potential drops after the application of voltage were observed, which were assigned to the accumulation of charges on the crystal-electrode interfaces. An interesting pattern was seen, where the perovskites, which enable high power conversion efficiencies in the perovskite solar cells, had the biggest potential drop, i.e. the biggest charge carrier migration and the following accumulation on the crystal-electrode interfaces. A prominent exception is the PEA4AgBiBr8, where the charge carrier movement was activated at 8 V, which is most likely due to the weak Van der Waals forces between the layers of octahedra and organic molecules of phenethylammonium. The understanding of structural, optical, and possible ferroelectric properties as well as charge carrier dynamics under the application of voltage and illumination of all 6 halide perovskites was improved and will be helpful for further research on these materials.
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