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Surface and interface characterization of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ and CsSnBr₃ perovskite based thin-film solar cell structures

Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ und CsSnBr₃ Perowskit-Dünnschichtsolarzellstrukturen

  • The chemical and electronic structure of hybrid organometallic (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) and inorganic (CsSnBr₃) perovskite materials on compact TiO₂ (c-TiO₂) is studied using x-ray and electron based spectroscopic techniques. The morphology and local elemental composition of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, used as absorbers in PV devices, defining the film quality and influencing the performance of respective solar cells is studied in detail by using photoemission electron microscopy (PEEM). An incomplete coverage, with holes reaching down to the c-TiO₂ was revealed; three different topological regions with different degrees of coverage and chemical composition were identified. Depending on the degree of coverage a variation in I oxidation and the formation of Pb⁰ in the vicinity of the c-TiO₂ is found. The valence band maxima (VBM) derived from experimental data for the perovskite and c-TiO₂, combined with information from literature on spiro-MeOTAD suggests an energy level alignment resulting in an excellent charge selectivity at theThe chemical and electronic structure of hybrid organometallic (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) and inorganic (CsSnBr₃) perovskite materials on compact TiO₂ (c-TiO₂) is studied using x-ray and electron based spectroscopic techniques. The morphology and local elemental composition of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, used as absorbers in PV devices, defining the film quality and influencing the performance of respective solar cells is studied in detail by using photoemission electron microscopy (PEEM). An incomplete coverage, with holes reaching down to the c-TiO₂ was revealed; three different topological regions with different degrees of coverage and chemical composition were identified. Depending on the degree of coverage a variation in I oxidation and the formation of Pb⁰ in the vicinity of the c-TiO₂ is found. The valence band maxima (VBM) derived from experimental data for the perovskite and c-TiO₂, combined with information from literature on spiro-MeOTAD suggests an energy level alignment resulting in an excellent charge selectivity at the absorber/spiro-MeOTAD and absorber/c-TiO₂ interfaces respectively. Further, the derived energy level alignment indicates a large recombination barrier (~2 eV), preventing shunts due to direct contact between c-TiO₂ and spiro-MeOTAD in the pin-holes. In-situ ambient pressure hard x-ray photoelectron spectroscopy (AP-HAXPES) studies of 60 and 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ have been performed under varies conditions (i.e. vacuum/water and dark/UV light) to gain insight into the degradation mechanism responsible for the short lifetime of the absorber. The 60 nm perovskite forms Pb⁰ in water vapor (non-defined illumination) in presence of x-rays. The 300 nm perovskite sample shows a complex behavior under illumination/dark. In water vapor/dark the perovskite dissolves into its organic (MAI) and inorganic (PbI₂) components. Under illumination PbI₂ further decomposes to Pb⁰ induced by UV light and x-rays. For alternative inorganic CsSnBr₃ perovskites, the impact of SnF₂ on the chemical and electronic structure is studied to identify its role for the improved performance of the solar cell. HAXPES and lab-XPS measurements performed on CsSnBr₃ with and without SnF₂ indicate two Sn, Cs, and Br species in all samples, where the second Sn species is attributed to oxidized Sn (Sn⁴⁺). When adding SnF₂ to the precursor solution, the coverage is improved and less Sn⁴⁺ and Cs and Br secondary species can be observed, revealing an oxidation inhibiting effect of SnF₂. Additionally, SnF₂ impacts the electronic structure, enhancing the density of states close to the VBM.show moreshow less
  • Die chemische und elektronische Struktur von hybriden metallorganischen (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) und anorganischen (CsSnBr₃) Perowskit-Materialien, abgeschieden auf kompaktem TiO₂ (c-TiO₂), wurden mit Hilfe von Röntgen- und Elektronenspektroskopiemethoden untersucht. Die Morphologie und lokale Elementzusammensetzung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, welche die Leistung der Solarzelle beeinflussen, wurden mit Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) im Detail untersucht. Dabei wird eine unvollständige Bedeckung, mit Löchern, die bis zum c-TiO₂ hinunterreichen, enthüllt. Ferner konnten drei verschiedene Morphologien mit unterschiedlichen Graden von Bedeckungen und chemischer Zusammensetzung identifiziert werden. Je nach Grad der Bedeckung, weisen die Morphologien eine Variation in der I Oxidation und die Bildung von Pb⁰ in der Nähe des c-TiO₂ auf. Die Valenzbandmaxima (VBM), bestimmt aus den Messdaten für das Perowskit und c-TiO₂, kombiniert mit Literaturwerten von spiro-MeOTAD, offenbaren eine Bandanpassung, die in eine exzellenteDie chemische und elektronische Struktur von hybriden metallorganischen (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) und anorganischen (CsSnBr₃) Perowskit-Materialien, abgeschieden auf kompaktem TiO₂ (c-TiO₂), wurden mit Hilfe von Röntgen- und Elektronenspektroskopiemethoden untersucht. Die Morphologie und lokale Elementzusammensetzung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, welche die Leistung der Solarzelle beeinflussen, wurden mit Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) im Detail untersucht. Dabei wird eine unvollständige Bedeckung, mit Löchern, die bis zum c-TiO₂ hinunterreichen, enthüllt. Ferner konnten drei verschiedene Morphologien mit unterschiedlichen Graden von Bedeckungen und chemischer Zusammensetzung identifiziert werden. Je nach Grad der Bedeckung, weisen die Morphologien eine Variation in der I Oxidation und die Bildung von Pb⁰ in der Nähe des c-TiO₂ auf. Die Valenzbandmaxima (VBM), bestimmt aus den Messdaten für das Perowskit und c-TiO₂, kombiniert mit Literaturwerten von spiro-MeOTAD, offenbaren eine Bandanpassung, die in eine exzellente Ladungsselektivität an der Absorber/spiro-MeOTAD und Absorber/c-TiO₂ Grenzfläche resultiert. Des Weiteren deutet die Bandanpassung auf eine große Rekombinationsbarriere (~ 2 eV) hin, welche das Auftreten von Shunts, durch den direkten Kontakt zwischen c-TiO₂ und spiro-MeOTAD in den Löchern, verhindert. Es wurden in-situ Umgebungsdruckröntgenspektroskopiestudien (AP-HAXPES) mit harter Röntgenstrahlung an 60 und 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ Proben unter verschiedenen Bedingungen (z.B. Vakuum/Wasser und Dunkelheit/Licht) durchgeführt, um Einblick in die Degradierungsvorgänge, die für die kurze Lebensdauer des Absorbers verantwortlich sind, zu erhalten. Die 60 nm Perowskit Probe bildet in Wasserdampf (undefinierte Beleuchtung) und in Anwesenheit von Röntgenstrahlung Pb⁰. Die 300 nm Perowskit Probe zeigt ein komplexes Verhalten bei Beleuchtung/Dunkelheit. Im Wasserdampf/Dunkelheit löst sich das Perowskit in seine organische (MAI) und anorganische (PbI₂) Komponenten auf. Unter Beleuchtung zerfällt PbI₂ weiter zu Pb⁰ verursacht durch UV-Licht und Röntgenstrahlung. Um die Rolle von SnF₂ in der Leistungsverbesserung alternativer anorganische CsSnBr₃ Perowskitsolarzellen zu identifizieren, wurde der Einfluss von SnF₂ auf deren chemische und elektronische Struktur mittels HAXPES und Labor-XPS Methoden untersucht. Alle Proben weisen zwei Sn, Cs und Br Spezien auf, wobei die zweite Sn Spezies auf oxidiertes Sn (Sn⁴⁺) zurückzuführen ist. Durch die Hinzugabe von SnF₂ zur Ausgangslösung, wird eine verbesserte Bedeckung und weniger Sn⁴⁺, inklusive deren zugehörigen sekundären Cs und Br Spezies, beobachtet. Was auf eine oxidationshemmende Eigenschaft von SnF₂ hindeutet. Darüber hinaus beeinflusst SnF₂ die elektronische Struktur des Absorbers und erhöht die Zustandsdichte in der Nähe des VBM.show moreshow less

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Metadaten
Author: Claudia Hartmann
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46358
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Dieter Schmeißer, Prof. Dr. Marcus Bär
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of final exam:2018/06/22
Release Date:2018/10/17
Tag:Dünnschichtsolarzelle; Festkörperphysik; Perowskite; Photoelektronenspektroskopie; Photovoltaik
Perovskite; Photoelectron spectroscopy; Photovoltaics; Solid-state physics; Thin-film solar cell
GND Keyword:Fotovoltaik; Halbleiter; Dünnschichtsolarzelle; Perowskit; Photoelektronenspektroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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