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http://doi.org/10.25358/openscience-1171
Authors: | Bretschneider, Simon A. |
Title: | Photophysics of Lead-Halide Perovskite |
Online publication date: | 23-Oct-2018 |
Year of first publication: | 2018 |
Language: | english |
Abstract: | The Sun provides Earth with a greenhouse gas free source of energy that exceeds the
annual energy consumption by orders of magnitude. Current solar cell technology limits
the percentage of harvested solar energy that can be used to generate electricity; this
is why new concepts and materials for photovoltaics are being explored. Lead-halide
perovskite solar cells offer the chance for low-cost high-performance devices. As a result of
the rapid technological development, perovskite solar cells have reached power conversion
efficiencies exceeding 22% at the laboratory stage, which is comparable to established
thin-film technologies. The success of lead-halide perovskites is based on the impressive
charge transport and remarkably low recombination rates for a solution-processable
semiconductor along with high optical absorption. Low transport and recombination
losses in combination with a thin light absorbing layer are essential for a high-performance
and low-cost solar cell. Despite their success in numerous optoelectronic devices, some of
the most fundamental material and physical properties of lead-halide perovskites are still
under intense debate.
The work included in this thesis is dedicated to the investigation of the photophysical
properties of lead-iodide perovskites. The photophysics is discussed for three
processes, here introduced in order of their occurrence, following photo-excitation of the
material: the formation of polarons on a sub-picosecond timescale, the slow cooling of
charge carriers on the order of hundred picoseconds and the radiative recombination in
the nanosecond time range. The first chapters introduce solar energy, the theoretical
background, and methodology followed by a summary of the experimental work performed
during this thesis work. Using time-resolved THz spectroscopy, the formation
of polarons was observed and quantified. Polarons in tetragonal CH3NH3PbI3 and
CH(NH2)2PbI3 are formed within 0.4 picoseconds independent of the temperature. The
formation of polarons resolves fundamental questions of the origin of the moderate
charge carrier mobility and low radiative recombination. Along with the formation of
polarons, charge carriers cool on two different timescales. The majority of the charge
carriers cools within a few picoseconds. A smaller fraction of charge carriers cools much
slower, requiring tens of picoseconds to reach the band minima, two orders of magnitude
slower than in GaAs. The slow cooling of charge carriers was investigated using transient
absorption spectroscopy. The recombination of charge carriers was investigated on two
different timescales using time-resolved photoluminescence spectroscopy. Concomitant to
the slow cooling of charge carriers, high-energy photon emission with a photon energy in
excess of up to 0.15 eV compared to the band edge emission was observed. The influence
of different processing techniques to the recombination of charge carriers was investigated
on a nanosecond timescale. As a result of the different processing conditions, the density
of trap states changes along with the morphology of the perovskite film.
These results provide new insights into the fundamental properties, such as polaron
formation and carrier cooling in lead-halide perovskites, and link the extrinsic
characteristics, for instance trap density, to photophysical processes like the radiative
recombination. Die von der Sonne abgestrahlte Energie, welche die Erdoberfläche erreicht, übertrifft den aktuellen Energieverbrauch der Menschheit bei weitem. Da bei der Erzeugung von Strom und Wärme mittels Solarenergie keinerlei Treibhausgase emittiert werden, ist Solarenergie nicht nur im Überfluss vorhanden, sondern auch klimaneutral. Der weitere Ausbau der Produktion von Solarstrom ist aktuell vor allem durch die Effizienz von günstig verfügbaren Solarzellen beschränkt. Um deren Effizienz zu steigern, werden daher verschiedene Konzepte und Materialien erforscht. Ein vielversprechendes Material sind bleihalogenide Perowskite. Diese werden bereits erfolgreich als hocheffiziente und potentiell kostengünstige Solarzellen unter Laborbedingungen verwendet. Als Folge einer rasanten technologischen Entwicklung erreichen Perowskitsolarzellen eine Effizienz von mehr als 22%. Diese Effizienz ist vergleichbar mit dem Wirkungsgrad von etablierten Dünnschichtsolarzellen und nur wenig niedriger als die Effizienz von Siliziumsolarzellen, die bei 26% liegt. Der Erfolg von bleihalogeniden Perowskiten als absorbierendes Material für Solarzellen hängt mit ihren herausragenden Materialeigenschaften zusammen. Perowskite vereinigen guten Ladungstransport und niedrige Rekombinationsraten mit hoher Absorption und guter Lösungsmittelprozessierbarkeit. Dies sind Eigenschaften, welche kostengünstige und hocheffiziente Solarzellen auszeichnet. Obwohl der Wirkungsgrad von Perowskit-basierten Solarzellen bereits dreiviertel der theoretisch möglichen Effizienz erreicht hat, sind viele Fragen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse in bleihalogenide Perowskiten noch nicht komplett beantwortet. Diese grundlegenden Fragen, welche in dieser Dissertation diskutiert werden, beschäftigen sich mit der Photophysik von auf Bleiiodid basierten Perowskiten. Die Photophysik wird anhand von drei Beispielen, geordnet nach ihrem zeitlichen Auftreten, diskutiert: die Entstehung von Polaronen im Bereich von wenigen Pikosekunden, das Abkühlen von heißen Ladungsträgern im Zeitraum von einhundert Pikosekunden und die Rekombination von Ladungsträgern im Nanosekundenbereich. In den ersten drei Kapiteln wird die Photophysik von Perowskiten, die theoretischen Grundlagen sowie die Methodologie vorgestellt. Daran anschließend werden die Ergebnisse dieser Dissertation diskutiert. Die Entstehung von Polaronen wurde mittels zeitaufgelöster THz Spektroskopie untersucht. In CH3NH3PbI3 und CH(NH2)2PbI3, die in tetragonaler Struktur vorliegen, kann die Entstehung von Polaronen in 0.4 Pikosekunden unabhängig von der Temperatur beobachtet werden. Die Entstehung von Polaronen liefert eine mögliche Erklärung für die nur moderat hohe Ladungsträgermobilität und niedrigen Rekombinationsraten, deren Ursprung bisher nicht zweifelsfrei geklärt werden konnte. Parallel zur Entstehung von Polaronen kühlen heiße Ladungsträger in zwei zeitlich verschiedenen Regimen ab: Ein Großteil der Ladungsträger kühlt innerhalb von wenigen Pikosekunden ab, ein kleiner Anteil innerhalb von mehreren zehn Pikosekunden. Das langsame Abkühlen von Ladungsträgern wurde detailliert mit transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Rekombination von Ladungsträgern wurde ebenfalls auf zwei verschiedenen Zeitskalen untersucht. Photolumineszenz mit einem Energieüberschuss von 150 meV im Vergleich zur Photolumineszenz, welche von den Bandminima ausgeht, wurde parallel zum Abkühlen der heißen Ladungsträger im Bereich von etwa hundert Pikosekunden beobachtet. Der Einfluss verschiedener Herstellungsmethoden wurde anhand der Rekombination von Ladungsträgern im Nanosekundenbereich untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich bei der Verwendung verschiedener Herstellungsmethoden neben der Morphologie der Perowskitschicht auch die Dichte der Störstellen ändert. Die präsentierten Ergebnisse erlauben neue Einblicke in die Photophysik von Bleiiodid- basierten Perowskiten, beispielsweise die Entstehung von Polaronen und das Abkühlen von Ladungsträgern. Ebenso wird der Zusammenhang zwischen extrinsischen Eigenschaften wie der Störstellendichte und der dazugehörigen photophysikalischen Charakteristika beleuchtet. |
DDC: | 540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences |
Institution: | Johannes Gutenberg-Universität Mainz |
Department: | MaxPlanck GraduateCenter |
Place: | Mainz |
ROR: | https://ror.org/023b0x485 |
DOI: | http://doi.org/10.25358/openscience-1171 |
URN: | urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000023456 |
Version: | Original work |
Publication type: | Dissertation |
License: | In Copyright |
Information on rights of use: | https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ |
Extent: | 109, XLI Seiten |
Appears in collections: | JGU-Publikationen |
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