Chemical Structure and Physical Properties of Organic-Inorganic Metal Halide Materials for Solid State Solar Cells

Autor: Safdari, Majid
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2017
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Text
Popis: Methylammonium lead (II) iodide has recently attracted considerable interest which may lead to substantial developments of efficient and inexpensive industrial photovoltaics. The application of this material as a light-absorbing layer in solid-state solar cells leads to impressive efficiency of over 22% in laboratory devices. However, for industrial applications, fundamental issues regarding their thermal and moisture stability need to be addressed. MAPbI3 belongs to the perovskite family of materials with the general formula ABX3, where is the organic cation (methylammonium) which is reported to be a major source of instability. In this work, a variety of alkyammonium lead (II) iodide materials have been synthesized by changing the organic cation, to study the relationship between the structural and physical properties of these materials. [(A)PbI3] and (A)PbI4 series were studied. Three dimensional (3D) networks (MAPbI3,MAPbBr3), two dimensional (2D) layered systems (BdAPbI4, HdAPbI4, OdAPbI4), and one dimensional (1D) columns (EAPbI3, PAPbI3, EAPb2I6) were found for the materials. [PbI6] octahedral structural units were repeated through the material network depending on the dimensionality and connectivity of the materials. Where a bulkier cation was introduced, the crystallographic unit cell increased in size which resulted in lower symmetry crystals. The connectivity of the unit cells along the material networks was found to be based on corner-sharing and face-sharing. Lower dimensionality resulted in larger bandgaps and lower photoconductivity, and hence a lower light conversion efficiency for the related solar cells. The thermal and moisture stability was greater in the 1D and 2D materials with bulkier organic cations than with methylammonium. In total, an overview is provided of the relationship between the chemical dimensionality and physical properties of the organic-inorganic lead halide materials with focus on the solar cell application.
Svenska sammandrag: Metylammoniumbly(II)jodid har under de senaste åren genererat ett stort intresse som ett möjligt material for utveckling av effektiva och på industriell skala billiga solceller. Detta material har använts som ljusabsorberande skikt i fasta solceller med imponerande omvandlingseffektiviteter på över 22% för solceller i laboratorieskala. För att denna nya typ av solceller ska bli intressanta för produktion på industriell skala, så behöver grundläggande frågeställningar kring materialens stabilitet avseende högre temperaturer och fukt klargöras. MAPbI3 har formellt perovskitstruktur med den allmänna formel ABX3, där A utgörs av den organiska katjonen (metyammoniumjonen) och som kan kopplas till materialets instabilitet. I denna avhandling har olika alkylammoniumbly(II)jodidmaterial syntetiserats där den organiska katjonen modifierats med syftet att studera växelverkan mellan struktur och fysikaliska egenskaper hos de resulterande materialen. Material av olika dimensionalitet erhölls; tredimensionella (3D) nätverk (MAPbI3, MAPbBr3), tvådimensionella (2D) skiktade strukturer (BdAPbI4, HdAPbI4, OdAPbI4), och endimensionella (1D) kedjestrukturer (EAPbI3, PAPbI3, EAPb2I6). Flera nya lågdimensionella material (2D och 1D) tillverkats och karaktäriserats för första gången. Enkristalldiffraktometri har använts för att erhålla materialens atomära struktur. Strukturen hos material tillverkade i större mängder konfirmerades genom jämförelse mellan resultat från pulverdiffraktion och enkristalldiffraktion. Den oktaedriska strukturenheten [PbI6] utgör ett återkommande tema i materialen sammankopplade till olika dimensioner. Då större organiska katjoner används karaktäriseras i regel strukturerna av större enhetsceller och lägre symmetri. De lågdimensionella materialen ger typiskt störe elektroniskt bandgap, lägre fotoinducerad ledningsförmåga och därför sämre omvandlingseffektiviteter då de används i solceller. De lågdimensionella materialen (1D och 2D) som baseras på de större organiska katjonerna uppvisar bättre stabilitet med avseende på högre tempereratur och fukt. De tvådimensionella materialens elektroniska struktur har karaktäriserats med hjälp av röntegenfotoelektronspektroskopi, liksom röntgenabsorptions- och emissionsspektroskopi. Resultat från teoretiska beräkningar stämmer väl överens med de experimentella resultaten, och de visar att materialens valensband huvudsakligen består av bidrag från atomorbitaler hos jod, medan atomorbitaler från bly främst bidrar till edningsbandet. Sammantaget erbjuder avhandlingen en översikt av sambandet mellan kemisk dimensionalitet och fysikaliska egenskaper hos ett antal organiska/oorganiska blyhalogenidmaterial med fokus på tillämpning i solceller.
QC 20170123
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: