Ultrafast laser spectroscopy of perovskite solar cells

Abstract

During the last two decades, organic and inorganic lead halide perovskites have attracted tremendous scientific attention due to the extraordinary optical properties and their potential employment in various types of state-of-the-art applications, such as next-generation solar cells (PSCs), light-emitting diodes, lasers, etc. The continuous challenge for solar cells in particular, is to optimize the performance while at the same time improve the stability. In order to address both challenges, the roles of the crystalline quality of the perovskite absorber film, as well as the carrier transport and the recombination processes, between the perovskite absorber and the carrier transport layers, should be understood. Particularly, the physical mechanisms of carrier transport between the perovskite active layer and the hole transport layer (HTL), which is the layer that collects the holes, as well as the electron transport one (ETL), which is the layer that collects the electrons. In this thesis, we shed light on such physical mechanisms by means of femtosecond time-resolved absorption spectroscopy. In particular, it is shown that the photo-excited carrier dynamics are strongly correlated with the surface properties of the employed transport layer as well as with the electrical characteristics of the devices. Furthermore, the charge carrier dynamics are monitored, in-situ, in order to observe their evolution during the perovskite absorber crystallization process in various temperatures, from 85 K up to 250 K, and extract useful information about the effect of the crystal structure on the carrier transport properties. It is envisaged that the novel findings of this thesis could help to a better understanding of the physical phenomena that take place in PSCs after photoexcitation, with the ultimate aim to further enhance the device efficiency, while at the same time to improve the stability.

Τα τελευταία χρόνια, οι οργανικοί-ανόργανοι περοβσκίτες έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων τους και την δυνατότητά τους να χρησιμοποιηθούν σε τεχνολογικές εφαρμογές, όπως τα 3ης γενιάς ηλιακά κύτταρα, φωτο-διόδους, λέιζερ, κλπ. Ο στόχος για τα ηλιακά κύτταρα είναι η αύξηση της απόδοσής τους και η βελτίωσης της σταθερότητάς τους. Για να μπορέσουν να επιτευχθούν οι συγκεκριμένες προκλήσεις, θα πρέπει να κατανοηθεί ο ρόλος της κρυσταλλικής ποιότητας του στρώματος του περοβσκίτη, καθώς και η μεταφορά και οι ρυθμοί επανασύνδεσης των φορέων, μεταξύ του στρώματος του περοβσκίτη και των αντίστοιχων στρωμάτων μεταφοράς των φορέων. Συγκεκριμένα, μεταξύ του περοβσκίτη και του στρώματος μεταφοράς των οπών (HTL), το οποίο συλλέγει τις οπές, καθώς και του στρώματος μεταφοράς των ηλεκτρονίων (ETL), το οποίο συλλέγει τα ηλεκτρόνια. Σε αυτή τη διατριβή, κατανοούμε τους φυσικούς μηχανισμούς μέσω της υπερταχείας φασματοσκοπίας με λέιζερ. Συγκεκριμένα, αποδεικνύεται ότι η δυναμική των φορέων σχετίζεται έντονα με τις επιφανειακές ιδιότητες του χρησιμοποιούμενου στρώματος μεταφοράς καθώς και με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συσκευών. Επιπλέον, η εξέλιξη της δυναμικής των φορέων παρακολουθείται επί τόπου κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης του περοβσκίτη σε θερμοκρασίες, από 85 Κ έως 250 Κ, εξάγοντας χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της κρυσταλλικής δομής στις ιδιότητες μεταφοράς των φορέων. Τα νέα ευρήματα αυτής της εργασίας μπορούν να συμβάλουν στην κατανόηση των φυσικών φαινομένων που συμβαίνουν στα περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα μετά τη φωτο-διέγερση, με απώτερο στόχο την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης της συσκευή και της σταθερότητά της.