Thi Thuy Nga Phung

• Metal halide perovskites have merged as an attractive class of materials for photovoltaic applications due to their excellent optoelectronic properties. However, the long term stability is a roadblock for this class of material’s industrial pathway. Increasing evidence shows that intrinsic defects in perovskite promote material degradation. Consequently, understanding defect behaviours in perovskite materials is essential to further improve device stability and performance. This dissertation, hence, focuses on the topic of defect chemistry in halide perovskites. The first part of the dissertation gives a brief overview of the defect properties in halide perovskite. Subsequently, the second part shows that doping methylammonium lead iodide with a small amount of alkaline earth metals (Sr and Mg) creates a higher quality, less defective material resulted in high open circuit voltages in both n-i-p and p-i-n architecture. It has been found that the mechanism of doping has two distinct regimes in which a low doping concentration enablesMetal halide perovskites have merged as an attractive class of materials for photovoltaic applications due to their excellent optoelectronic properties. However, the long term stability is a roadblock for this class of material’s industrial pathway. Increasing evidence shows that intrinsic defects in perovskite promote material degradation. Consequently, understanding defect behaviours in perovskite materials is essential to further improve device stability and performance. This dissertation, hence, focuses on the topic of defect chemistry in halide perovskites. The first part of the dissertation gives a brief overview of the defect properties in halide perovskite. Subsequently, the second part shows that doping methylammonium lead iodide with a small amount of alkaline earth metals (Sr and Mg) creates a higher quality, less defective material resulted in high open circuit voltages in both n-i-p and p-i-n architecture. It has been found that the mechanism of doping has two distinct regimes in which a low doping concentration enables the inclusion of the dopants into the lattice whereas higher doping concentrations lead to phase segregation. The material can be more n-doped in the low doping regime while being less n-doped in the high doping regime. The threshold of these two regimes is based on the atomic size of the dopants. The next part of the dissertation examines the photo-induced degradation in methylammonium lead iodide. This degradation mechanism links closely to the formation and migration of ionic defects. After they are formed, these ionic defects can migrate, however, not freely depending on the defect concentration and their distribution. In fact, a highly concentrated defect region such as the grain boundaries can inhibit the migration of ionic defects. This has implications for material design as perovskite solar cells normally employ a polycrystalline thin-film which has a high density of grain boundary. The final study presented in this PhD dissertation focuses on the stability of the state-of-the-art triple cation perovskite-based solar devices under external bias. Prolonged bias (more than three hours) is found to promote amorphization in halide perovskite. The amorphous phase is suspected to accumulate at the interfaces especially between the hole selective layer and perovskite. This amorphous phase inhibits the charge collection and severely affects the device performance. Nonetheless, the devices can recover after resting without bias in the dark. This amorphization is attributed to ionic defect migration most likely halides. This provides a new understanding of the potential degradation mechanisms in perovskite solar cells under operational conditions.…
• Metallhalogenid-Perowskite haben sich aufgrund ihrer hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften zu einer attraktiven Materialklasse für die Photovoltaikindustrie entwickelt. Die Langzeitstabilität ist jedoch noch immer ein Hindernis für die industrielle Realisierung dieser Materialklasse. Zunehmend zeigen sich Hinweise dafür, dass intrinsische Defekte im Perowskit die Material-Degradation fördern. Das Verständnis der Defekte im Perowskit ist wichtig, um seine Stabilität und optoelektronische Qualität weiter zu verbessern. Diese Dissertation konzentriert sich daher auf das Thema Defektchemie im Perowskit. Der erste Teil der Dissertation gibt einen kurzen Überblick über die Defekteigenschaften von Halogenid-Perowskiten. Anschließend zeigt der zweite Teil, dass das Dotieren von Methylammoniumbleiiodid mit einer kleinen Menge von Erdalkalimetallen (Sr und Mg) ein höherwertiges, weniger fehlerhaftes Material erzeugt, was zu hohen Leerlaufspannungen sowohl in der n-i-p als auch in der p-i-n Architektur von Solarzellen führt. Es wurdeMetallhalogenid-Perowskite haben sich aufgrund ihrer hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften zu einer attraktiven Materialklasse für die Photovoltaikindustrie entwickelt. Die Langzeitstabilität ist jedoch noch immer ein Hindernis für die industrielle Realisierung dieser Materialklasse. Zunehmend zeigen sich Hinweise dafür, dass intrinsische Defekte im Perowskit die Material-Degradation fördern. Das Verständnis der Defekte im Perowskit ist wichtig, um seine Stabilität und optoelektronische Qualität weiter zu verbessern. Diese Dissertation konzentriert sich daher auf das Thema Defektchemie im Perowskit. Der erste Teil der Dissertation gibt einen kurzen Überblick über die Defekteigenschaften von Halogenid-Perowskiten. Anschließend zeigt der zweite Teil, dass das Dotieren von Methylammoniumbleiiodid mit einer kleinen Menge von Erdalkalimetallen (Sr und Mg) ein höherwertiges, weniger fehlerhaftes Material erzeugt, was zu hohen Leerlaufspannungen sowohl in der n-i-p als auch in der p-i-n Architektur von Solarzellen führt. Es wurde beobachtet, dass die Dotierung in zwei Domänen stattfindet: eine niedrige Dotierungskonzentration führt zum Einschluss der entsprechenden Elemente in das Kristallgitter ermöglicht, während eine hohe Dotierungskonzentration zu einer Phasentrennung führt. Das Material kann im Niedrigdotierungsbereich mehr n-dotiert sein, während es im Hochdotierungsbereich weniger n-dotiert ist. Die Schwelle dieser beiden Regime hängt von der Atomgröße der Dotierelemente ab. Der nächste Teil der Dissertation untersucht die photoinduzierte Degradation von Methylammonium-Bleiiodid. Dieser Abbaumechanismus hängt eng mit der Bildung und Migration von defekten zusammen. Nach der Bildung können sich diese in Abhängigkeit von der Defektdichte und ihrer Verteilung bewegen. Demnach kann eine hohe Defektdichte wie an den Korngrenzen eines Perowskitfilms die Beweglichkeit von ionischen Punktdefekten hemmen. Diese Erkenntnis ließe sich auf das zukünftige Materialdesign in der Photovoltaikindustrie anwenden, da die Perowskit-Solarzellen normalerweise einen polykristallinen Dünnfilm mit hoher Korngrenzendichte verwenden. Die abschließende Studie, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, konzentriert sich auf die Stabilität der neuesten „dreifach-kationen“ Perowskit-basierten Solarzellen unter dem Einfluss einer permanent angelegten elektrischen Spannung. Eine längere Betriebsdauer (mehr als drei Stunden permanente Spannung) fördert die Amorphisierung im Halogenid-Perowskiten. Es wird hierbei vermutet, dass sich eine amorphe Phase an den Grenzflächen bildet, insbesondere zwischen der lochselektiven Schicht und dem Perowskit. Diese amorphe Phase hemmt den Ladungstransport und beeinträchtigt die Leistung der Perowskit-Solarzelle erheblich. Sobald jedoch keine Spannung mehr anliegt können sich die Perowskitschichten im Dunkeln bereits nach einer kurzen Pause regenerieren. Die Amorphisierung wird auf die Migration von ionischen Fehlordnungen zurückgeführt, höchstwahrscheinlich auf die Migration von Halogeniden. Dieser Ansatz zeigt ein neues Verständnis des Abbau-Mechanismus in Perowskit-Solarzellen unter Betriebsbedingungen.…