Magneto-optical and microscopic properties of organo lead halide perovskites

University of Warsaw Repository

pl | en
 
 

Show simple item record

dc.contributor.advisor Kossacki, Piotr
dc.contributor.advisor Płochocka-Maude, Paulina
dc.contributor.author Gałkowski, Krzysztof [APD]
dc.date.issued 2016-12-16
dc.description.abstract Hybrydowe perowskity – halogenki ołowiu i kationu organicznego - stanowią nową klasę materiałów, mogących znaleźć zastosowanie jako konwertery energii słonecznej w kolejnej generacji ogniw fotowoltaicznych. Struktura chemiczna tych materiałów opisywana jest wzorem APbX3, gdzie A jest kationem organicznym a X anionem halogenkowym (najczęściej Br-, Cl- lub I-, lub ich kombinacją). Hybrydowe perowskity charakteryzują się efektywną absorpcją światła w szerokim zakresie spektralnym, długimi drogami dyfuzji oraz długimi czasami życia nośników. Własności te przekładają się na wysoką wydajność konwersji fotonów, która w przypadku najlepszych ogniw perowskitowych sięga 22%. Niski koszt wytwarzania oraz szybki rozwój tej klasy materiałów stawia fotowoltaikę opartą na perowskitach wśród potencjalnych rozwiązań zastępujących obecnie wiodącą technologię krzemową. Niniejsza praca poświęcona jest optycznym badaniom własności elektronowych oraz morfologii cienkich warstw hybrydowych perowskitów. Wykorzystano związki oparte na kationie metylamoniowym lub formamidynie, z jodem lub bromem jako anionami dominującymi. Uzyskane wyniki pozwalają określić wpływ składu chemicznego na badane parametry materiału. Na podstawie pomiarów magnetotransmisji bezpośrednio wyznaczono wartość energii wiązania ekscytonu i masy zredukowanej. Energie wiązania ekscytonu w temperaturze T = 2 K wynoszą od 14 do 25 meV. Są to wartości mniejsze lub porównywalne do średniej energii termicznej w temperaturze pokojowej (25 meV). Co więcej, wartości te maleją wraz ze wzrostem temperatury, do 10-24 meV w T = 160 K. Tym samym wnioskujemy, że nośniki wzbudzone światłem w temperaturze pokojowej można uznać za termicznie zjonizowane. Zmierzone wartości masy zredukowanej mieszczą się w zakresie 0.09-0.13 masy spoczynkowej elektronu. Pokazaliśmy również, że zarówno energia wiązania ekscytonu, jak i jego masa zredukowana zależą w przybliżeniu liniowo od wartości przerwy energetycznej. Uzyskane zależności pozwalają w łatwy sposób oszacować wartości tych parametrów dla nowo zsyntetyzowanych związków perowskitowych. Metodą przestrzennie rozdzielonej fotoluminescencji zbadano morfologię warstw perowskitowych z mikrometrową rozdzielczością, co pozwoliło zaobserwować pojedyncze ziarna krystaliczne. Otrzymane mapy luminescencji powierzchni próbek pokazują, że wszystkie badane warstwy składają się z ciemnych i jasnych ziaren. Pokazujemy, że w niskotemperaturowa przemiana z fazy tetragonalnej w ortorombiczną jest niepełna, a pozostałości fazy tetragonalnej są obserwowane nawet w T = 4 K. Zauważając zwiększone występowanie tych inkluzji w okolicach obszarów uszkodzonych strukturalnie, korelujemy obecność niskotemperaturowej fazy tetragonalnej z lokalnymi zubożeniami zawartości halogenków.
dc.description.abstract The hybrid organo-lead halide perovskites are an emerging class of materials, proposed for use as light absorbers in a new generation of photovoltaic solar cells. The chemical formula for these materials is APbX3, where A is an organic cation and X represents halide anions (most commonly Br-, Cl- or I-, or alloyed combination of these). The hybrid perovskites combine excellent absorption properties with large diffusion lengths and long lifetime of the carriers, resulting in photon conversion efficiencies as high as 22%. Another advantage is the inexpensiveness of the fabrication process. Therefore, with the rapid development of this class of materials, the perovskite photovoltaics has perspectives to outperform the well-established silicon technology. Here, we use optical methods to investigate the basic electronic properties and morphology in the thin films of several representatives of the hybrid perovskites. We study the compounds based on Methylammonium and Formamidinium organic cations; the iodides and wide band-gap bromides, showing how the chemical composition influences the investigated parameters. Using magneto-transmission, we directly determine the values of exciton binding energy and reduced mass. We find that the exciton binding energies at T = 2 K, varying from 14 to 25 meV, are smaller or comparable to the average thermal energy at room temperature (≈25 meV). Moreover, these values fall further at T = 160 K, to 10–24 meV. Based on that we conclude that the carriers photocreated in a perovskite material can be considered to be thermally ionized at room temperature. The measured reduced masses are in the range of 0.09-0.13 of the electron rest mass. We also show that both exciton binding energy and reduced mass depend linearly on the band gap energy. Therefore, the values of these parameters can be easily estimated for the synthesis of new perovskite compounds. Using spatially resolved photoluminescence, we probe the morphology of perovskite films with micrometer resolution, which enables us to observe single crystalline grains. The resulting maps show that all investigated thin films are composed from the dark and bright crystalline grains. We demonstrate that the low temperature phase transition from tetragonal to orthorhombic phase is incomplete in all studied materials, as the remains of the tetragonal phase are found even at T = 4 K. By investigating structurally damaged and photo annealed regions, where the occurrence of the tetragonal phase at low temperatures is enhanced, we attribute its presence to the depleted halide content.
dc.language.iso en
dc.rights 10daysAccess
dc.subject hybrid perovskites
dc.subject photovoltaics
dc.subject exciton binding energy
dc.subject effective mass
dc.subject phase transition
dc.subject hybrydowe perowskity
dc.subject fotowoltaika
dc.subject energia wiązania ekscytonu
dc.subject masa efektywna
dc.subject przemiana fazowa
dc.title Magneto-optical and microscopic properties of organo lead halide perovskites
dc.title.alternative Magnetooptyczne i mikroskopowe właściwości perowskitów - halogenków ołowiu i kationu organicznego
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.contributor.department Wydział Fizyki
dc.date.defence 2017-01-12
dc.identifier.apd 17785
dc.description.osid 134354
dc.contributor.email Krzysztof.Galkowski@fuw.edu.pl

Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search Repository


Advanced Search

Browse

My Account

Statistics