Optical and Optoelectronic Characterization of Lead Halide Perovskites and Its Solar Cells

Resumen

En esta tesis las propiedades ópticas (absorbancia y fotoluminiscencia) de la perovskita de yoduro de metilamonio y plomo desde temperatura ambiente hasta 15 K y su evolución con la degradación fueron estudiadas.

La absorbancia presentó un fuerte comportamiento excitónico incluso a temperatura ambiente. La fotoluminiscencia presentó diferentes comportamientos con la temperatura al transicionar de fase cristalina. Se le atribuyó un origen de recombinación de excitón libre para la fase tetragonal de alta temperatura y un origen de recombinación de excitón localizado para la fase ortorrómbica de baja temperatura. 

La degradación, atribuida principalmente a la descomposición del metilamonio por radiación azul en el vacío, afectó mucho más a la fotoluminiscencia que a la absorbancia del material. Esta provocó un corrimiento de la transición de fase a mayor temperatura y una activación de la fotoluminiscencia por recombinación de excitón localizado a mayor temperatura. Esto se atribuyó al aumento de la concentración de estados de defecto. 

En la segunda parte se estudian celdas solares de la perovskita yoduro de metilamonio y plomo y de bromuro de cesio y plomo. En el primer caso se analiza su perdida de eficiencia con la degradación. Ambos tipos de celdas fueron estudiadas con espectroscopias de intensidad modulada en un amplio espectro de frecuencias. Se implementaron varios modelos para analizar estas medidas. 

Las celdas de yoduro de metilamonio y plomo mostraron dos ciclos en las espectroscopias de intensidad modulada que fueron atribuidos a la dinámica de huecos y electrones. Por otro lado las celdas bromuro de cesio y plomo mostraron un ciclo no ideal que fue atribuido a una distribución de procesos de transporte y también presentó una dinámica asociada a las vacancias de iones bromuro en el límite de baja frecuencia.

Abstract

In this thesis the optical properties (absorbance and photoluminescence) of methylammonium lead iodide perovskite from room temperature to 15 K and its evolution with degradation were studied.

The absorbance showed strong excitonic behaviour even at room temperature. Photoluminescence exhibited different behaviours with temperature associated to the crystalline phase transition. A free exciton recombination origin was attributed to the high-temperature tetragonal phase and a localized exciton recombination origin to the low-temperature orthorhombic phase.

The degradation, attributed mainly to the decomposition of methylammonium by blue radiation in vacuum, affected the photoluminescence much more than the absorbance of the material. This caused a shift in the phase transition to higher temperatures and an activation of photoluminescence by localized exciton recombination at higher temperatures. This was attributed to the increased concentration of defect states.

In the second part, methylammonium lead iodide and caesium lead bromide perovskite solar cells are studied. In the first case, their loss of efficiency due to degradation is analysed. Both types of cells were studied using intensity-modulated spectroscopy over a broad frequency spectrum. Several models were implemented to analyse these measures.

The methylammonium lead iodide cells showed two cycles in the intensity modulated spectroscopies that were attributed to electrons and holes dynamics. On the other hand, the caesium and lead bromide cells showed a non-ideal cycle that was attributed to a distribution of transport processes and also presented a dynamic associated to bromide ion vacancies in the low frequency limit.