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Authors: Hermes, Ilka Maria
Title: Effect of subcrystalline domains, grain boundaries and heterointerfaces on the carrier transport in perovskite solar cells
Online publication date: 29-Mar-2022
Language: english
Abstract: The climate crisis and ever-rising energy demand require clean, sustainable and affordable solutions for electricity generation. Perovskite solar cells (PSC), based on the perovskite compound methylammonium lead iodide (MAPbI3), offer high power conversion efficiencies of 25.5% and low production costs. By reducing losses in the charge carrier extraction, the efficiency of PSCs can push towards the radiative efficiency limit. Particularly the impact of local morphological features in the absorber and heterointerfaces on charge carrier dynamics is of great interest to further optimize PSCs. In this work, I explored how boundary structures on different lengths scales – from subcrystalline domains to grain boundaries in polycrystalline MAPbI3 films to heterointerfaces in PSCs – affect the charge carrier transport. First, I studied a periodic subcrystalline domain pattern within MAPbI3 grains via piezoresponse force microscopy (PFM) and 2D x-ray diffraction for in-depth structural characterization. In-situ PFM across MAPbI3’s phase transition temperature and during the application of mechanical stress revealed the ferroelastic nature of the domains, while simultaneously demonstrating routes for strain engineering. Finally, the correlation of the domain pattern with spatial and time-resolved photoluminescence (PL) microscopy showed that the photocarrier diffusion depends on the orientation of the domain walls. Furthermore, I investigated the impact of grain boundaries on the charge carrier drift and diffusion via conductive atomic force microscopy (CAFM) and spatial and time-resolved PL microscopy. CAFM measurements allowed the determination of single grain boundary resistances. Moreover, CAFM and PL results indicate that grain boundaries act as semitransparent barriers to the inter-grain carrier transport. Here, the transparency appeared to depend on the boundary morphology, including density and contact area. I observed a similar effect for PL-photons that become trapped in the MAPbI3 film due to internal reflection: Dense grain boundaries with large contact areas seemed to facilitate photon propagation with minimal outcoupling as required for efficient light management in PSCs. Lastly, I studied the influence of different electron transport layers (ETL) on the photocarrier extraction using Kelvin probe force microscopy (KPFM) on PSC cross sections with and without illumination. The charge distribution resolved via KPFM indicates that mobile iodide ions released at the MAPbI3 / ETL interface degrade the organic hole transport layer. This degradation likely increases the interfacial resistance and defect density, resulting in losses in the charge carrier extraction. Ultimately, this work suggests that targeted control of boundary structures within the MAPbI3 absorber and stabilization of heterointerfaces will improve carrier extraction and thereby contribute to PSCs’ reaching their full potential.
Die Klimakrise und der stetig wachsende Energiebedarf erfordern saubere, nachhaltige und kostengünstige Lösungen um Elektrizität zu gewinnen. Perowskit Solarzellen (PSC) basieren auf dem Perowskit-Material Methylammonium Bleiiodid (MAPbI3) und ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad von 25.5% bei gleichzeitig niedrigen Produktionskosten. Um die theoretische Obergrenze des Wirkungsgrades von PSCs zu erreichen, müssen unter anderem Verluste in der Ladungsträgerextraktion reduziert werden. Vor allem der Einfluss lokaler morphologischer Eigenschaften in der Absorberschicht und der Grenzflächen auf den Ladungsträgertransport ist von großem Interesse für die Optimierung der PSCs. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich untersucht, wie sich Grenzstrukturen unterschiedlicher Größenordnungen – von subkristallinen Domänen über Korngrenzen in MAPbI3 Dünnschichten bis zu Grenzflächen in PSCs – auf den Ladungsträgertransport auswirken. Dafür habe ich zunächst periodische, subkristalline Domänen in MAPbI3 Körnern mit piezoelektrischer Rasterkraftmikroskopie (PFM) und 2D Röntgenbeugung strukturell charakterisiert. In-situ PFM Messungen über den Phasenübergang und während der Anwendung einer mechanischen Last offenbarten den ferroelastischen Charakter der Domänen. Zudem verdeutlichen die Ergebnisse der in-situ Messungen, wie die Domänenanordnung über externe Last gezielt manipuliert werden kann. Die Korrelation der Domänenstruktur mit räumlich und zeitlich aufgelösten Photolumineszenz (PL) Messungen zeigte schließlich, dass die Orientierung der Domänenwände die Ladungsträgerdiffusion beeinflusst. Des Weiteren habe ich die Wirkung von Korngrenzen auf Ladungsträgerdrift und -diffusion mit Leitfähigkeitsrasterkraftmikroskopie (CAFM) sowie räumlich und zeitlich aufgelösten PL-Messungen untersucht. Die CAFM Messungen erlaubten die Bestimmung des Widerstandes einzelner Korngrenzen. Darüber hinaus weisen CAFM- und PL-Ergebnisse darauf hin, dass Korngrenzen als halbdurchlässige Barrieren auf Ladungsträger wirken. Ihre Durchlässigkeit hängt dabei von der Morphologie der Korngrenze ab, einschließlich ihrer Dichte und Kontaktfläche. Einen ähnlichen Effekt habe ich für PL-Photonen beobachtet, die durch innere Reflexion in MAPbI3 Filmen eingeschlossen sind: Dichte Korngrenzen mit großer Kontaktfläche ermöglichen Photonentransport mit minimaler Auskopplung für effizientes Photonenmanagement in PSCs. Abschließend habe ich den Einfluss unterschiedlicher Elektronentransportschichten (ETL) auf die Ladungsträgerextraktion durch Kelvin Sonden Rasterkraftmikroskopie (KPFM) auf PSC Querschnitten abgebildet. Die KPFM-Ladungsverteilungen deuten darauf hin, dass mobile Iodid Ionen, die an der MAPbI3 / ETL Grenzfläche freigesetzt werden, mit der organischen Lochtransportschicht reagieren und dadurch den Grenzflächenwiderstand erhöhen. Der erhöhte Widerstand kann zu Verlusten in der Ladungsträgerextraktion führen. Diese Arbeit zeigt, dass eine gezielte Kontrolle von Grenzstrukturen in der MAPbI3-Schicht sowie eine Stabilisierung der Transportschichten eine verbesserte Ladungsträgerextraktion ermöglichen und damit zu der weiteren Optimierung von PSCs beitragen können.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-6755
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-b65599f3-88fd-420b-9534-f486f4c203ce2
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: ii, 196 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:JGU-Publikationen

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