Hybrid organic-inorganic metal halide perovskites (HOIPs) belong to a class of semiconductors which can be deposited with very high quality from solutions so that solar cells with high efficiencies can be prepared at relatively low temperatures. methylammonium lead iodide (MAPbI3) is an archetypical HOIP and served as a model system.
In this thesis, MAPbI3 perovskite films were prepared by a vacuum-assisted evaporation of solvent (vacuum-assisted treatment) after spin coating of precursor solutions in combination with a post-annealing process. The vacuum-assisted treatment allowed for realization of practically ideal boundary conditions for studying out-diffusion of solvents.
The influence of the dimethyl formamide (DMF)/dimethyl sulfoxide (DMSO) ratio, temperature and time on morphology, the band gap, exponential tails and performance of solar cells was studied. In general, higher DMSO proportion, higher temperature and longer vacuum-assisted treatment time resulted in lower efficiencies. At the given pressure of 60 Pa, optimum conditions for the vacuum assisted treatment were found (DMF:DMSO = 9:1, 30°C, 10 s). It was shown that efficiencies above 20% can be realized with vacuum-assisted treatment and short post-annealing at 120°C for solar cells based on MAPbI3.
A methodology was developed for the quantitative measurement of residual solvent molecules in MAPbI3 films by combining high resolution continuum source absorption spectrometry (HR-CSAS) and infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) and for diffusion analysis. For quantitative analysis, the area of the finger print peak of DMSO (S=O stretching mode, IRSE) was calibrated with the S/Pb molar ratio obtained by HR-CSAS.
The diffusion coefficient of DMSO in MAPbI3 is a superposition of two thermally activated processes with EA1, D01, EA2 and D02 are 0.6 eV, 10-11 cm²/s, 1.8 eV and 3.6x10-4 cm²/s, respectively, which can be assigned to activation of DMSO from loosely bonded complexes and from a trap site in the lattice of MAPbI3.
The methodology and the knowledge about vacuum-assisted treatment and out-diffusion of solvent molecules can be transferred to the investigation of other systems such as multi-cation HOIPs.
Hybride organisch-anorganische Metallhalogenidperowskite (HOIPs) gehören zu einer Klasse von Halbleitern, die mit sehr hoher Qualität aus Lösungen abgeschieden werden können, so dass Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad bei relativ niedrigen Temperaturen hergestellt werden können. Methylammoniumbleiiodid (MAPbI3) ist ein archetypischer HOIP und dient als Modellsystem.
In dieser Arbeit wurden dünne MAPbI3-Perowskitschichten durch eine vakuumunterstützte Verdampfung des Lösungsmittels (vakuumunterstützte Behandlung) nach dem Spin Coating von Vorläuferlösungen in Kombination mit einer thermischen Nachbehandlung hergestellt. Die vakuumunterstützte Behandlung ermöglichte die Realisierung praktisch idealer Randbedingungen für die Untersuchung der Ausdiffusion von Lösungsmitteln.
Der Einfluss des Verhältnisses von Dimethylformamid (DMF)/Dimethylsulfoxid (DMSO), Temperatur und Zeit auf die Morphologie, die Bandlücke, exponentielle Bandausläufer und die Leistung von Solarzellen wurde untersucht. Im Allgemeinen führten ein höherer DMSO-Anteil, höhere Temperaturen und eine längere vakuumunterstützte Behandlungszeit zu niedrigeren Wirkungsgraden. Bei einem gegebenen Druck von 60 Pa wurden optimale Bedingungen für die vakuumunterstützte Behandlung gefunden (DMF:DMSO = 9:1, 30°C, 10 s). Es wurde gezeigt, dass mit einer vakuumunterstützten Behandlung und einer kurzen thermischen Nachbehandlung bei 120°C für Solarzellen auf Basis von MAPbI3 Wirkungsgrade über 20% erreicht werden können.
Für die quantitative Messung von Restlösungsmittelmolekülen in MAPbI3-Schichten wurde erstmals eine Methodik entwickelt, die hochauflösende Absorptionsspektrometrie mit kontinuierlicher Quelle (HR-CSAS: high resolution contiuum source absorption spectrometry) und spektroskopischer Ellipsometrie im Infrarotbereich (IRSE: infrared spectroscopic ellipsmetry) kombiniert und zur Diffusionsanalyse eingesetzt wird. Für die quantitative Analyse wurde die Fläche des spezifischen Absorptionspeaks von DMSO (S=O Streckschwingung) mit dem von HR-CSAS erhaltenen S/Pb Molverhältnis kalibriert.
Der Diffusionskoeffizient von DMSO in MAPbI3 wurde durch eine Überlagerung von zwei thermisch aktivierten Prozessen mit EA1, D01, EA2 und D02 sind 0.6 eV, 10-11 cm²/s, 1.8 eV bzw. 3.6x10-4 cm²/s beschrieben. Die thermisch aktivierten Prozesse entsprechen der Aktivierung von DMSO aus relativ lose gebundenen Komplexen und aus ins Gitter von MAPbI3 eingebauten Molekülen.
Die Methodik und das Wissen über die vakuumunterstützte Behandlung und Ausdiffusion von Lösungsmittelmolekülen kann sowohl auf die Optimierung von Solarzellen als auch auf die Untersuchung der Diffusion von Lösungsmittelmolekülen in anderen HOIP Systemen, in welchen z.B. eine Vielzahl verschiedener Kationen und Anionen kombiniert werden, übertragen werden.
