Solution processing of Perovskite solar cells and transistors

Metal halide perovskites are of great promising candidates for optoelectronics research. Industrialization of perovskite technologies is impeded by the stability, anomalous hysteresis, usage of high-boiling point, hazardous solvents, lab-scale processing techniques and nitrogen environment processing, which significantly increases the cost. In chapter 3, we address the issues related to solution processing. Here we propose low- boiling point, less toxic acetonitrile (ACN) solvent that enables to process the high-quality perovskite films at high relative humidity (RH) and ambient atmospheric conditions. Our deposition route enables precursor PbI2 dissolution in ACN by stoichiometrically adding HI, without which it is not possible to dissolve PbI2 in sole ACN. Further this method also enabled deposition at relatively high moisture levels of 50 to 80 % RH thanks to the formation of the novel intermediate phase and later which is converted to perovskite by treating with MA gas. Incorporating the solution processed film in a low temperature processed inverted device structure, we achieved stabilized PCEs up to 14 %. This method renders promising scalable, humidity robust, less toxic, ambient atmosphere and low temperature processing perovskite device fabrication. For resolving the low RH (<50%) limitations of MA-Processing method, we have developed humidity independent perovskite processing by adopting two-step deposition method utilizing same precursor solution. We achieved 14% average PCE utilizing this two-step method perovskite processing. The performances of devices adopted from above methods are not high, comparing to existing conventional approaches, but these processing methods provides an alternative path for large-area deposition. In chapter 4, we would like to investigate the anomalous hysteresis behaviour, charge transport of perovskites using FET as platform. Apart from that owing to their exceptional properties perovskite like high charge carrier mobility, long diffusion lengths, ambipolar nature and solution processability, a strong interest has raised Field-Effect Transistors (FETs) for circuit applications. But FET devices based on 3D perovskite semiconductors, typically show poor performance at room temperature because of ion migration screening of vertical gate field which ultimately diminishes the electronic characteristics of FETs. Deep investigation of PVK FET study may also aid in understanding anomalous behaviour of the perovskite solar cells. Since Perovskite FETs show poor performance using conventional characterization, a pulsed gate mode operation of PVK FETs has been proposed. Such an approach has proved successful to reconstruct the FET characteristic curves, but the choice of the pulse duration was kept fixed (500 µs). The choice appears arbitrary, since ions screening is clearly a dynamic process, raises the questions on the validity of the extracted charge transport parameters of perovskite FETs. In this work, we studied time-dependent characteristics of solution processed 3D MAPbI3 FETs. We observed vanishing of electrical currents, apparent electron mobility surprisingly decays up to three orders of magnitude from 0.2 cm2V-1s-1 to ~410-4 cm2V-1s-1 with a pulse duration time varying from 5 µs to 10 ms respectively. The decay of FET performance with increase of pulse duration is attributed to the accumulation of ions at the grain boundaries with the progress of time, which diminishes the electronic channel. This study emphasizes the effect of the dynamic response of ions on the charge transport properties and this works urges the research community to adopt standardize timescales when investigating 3D PVK FETs, especially thin-films that are more subject to defects and ion migration.

Le perovskiti a ioduri metallici sono dei candidati promettenti per la ricerca sull'optoelettronica. L'industrializzazione delle tecnologie perovskite è ostacolata dalla stabilità, dall'isteresi anomala, dall'utilizzo di un punto di ebollizione elevato, dai solventi pericolosi, dalle tecniche di lavorazione su scala di laboratorio e dall'elaborazione dell'ambiente di azoto, che aumenta significativamente il costo. affrontiamo i problemi relativi all'elaborazione della soluzione. Qui proponiamo un solvente in acetonitrile (ACN) a basso punto di ebollizione che consente di elaborare i film di perovskite di alta qualità a elevata umidità relativa (RH) e condizioni atmosferiche ambientali. Il nostro percorso di deposizione consente la dissoluzione del precursore PbI2 in ACN aggiungendo stechiometricamente HI, senza il quale non è possibile dissolvere PbI2 in un solo ACN. Inoltre, questo metodo ha consentito anche la deposizione a livelli di umidità relativamente elevati dal 50 all'80% di umidità relativa grazie alla formazione della nuova fase intermedia e successivamente che viene convertita in perovskite mediante trattamento con gas MA. Incorporando il film processato in soluzione in una struttura di dispositivo invertita processata a bassa temperatura, abbiamo raggiunto PCE stabilizzati fino al 14%. Questo metodo rende promettente la fabbricazione di dispositivi perovskite a bassa temperatura promettenti, scalabili all'umidità, meno tossici, in atmosfera e con trattamento a bassa temperatura. Per risolvere i bassi limiti di umidità relativa (<50%) del metodo di elaborazione MA, abbiamo sviluppato un trattamento perovskite indipendente dall'umidità adottando un metodo di deposizione in due fasi utilizzando la stessa soluzione precursore. Abbiamo raggiunto un PCE medio del 14% utilizzando questo metodo in due fasi per l'elaborazione della perovskite. Le prestazioni dei dispositivi adottati dai metodi di cui sopra non sono elevate, rispetto agli approcci convenzionali esistenti, ma questi metodi di elaborazione forniscono un percorso alternativo per la deposizione su vasta area. vorremmo studiare il comportamento anomalo dell'isteresi, caricare il trasporto di perovskiti usando FET come piattaforma. Oltre a ciò grazie alle loro eccezionali proprietà perovskite come la mobilità portante ad alta carica, le lunghezze di diffusione lunghe, la natura ambipolare e la processabilità della soluzione, un forte interesse ha sollevato transistor ad effetto di campo (FET) per applicazioni circuitali. Ma i dispositivi FET basati su semiconduttori perovskite 3D, mostrano tipicamente scarse prestazioni a temperatura ambiente a causa dello screening della migrazione ionica del campo di gate verticale che alla fine diminuisce le caratteristiche elettroniche dei FET. Un'indagine approfondita dello studio FET PVK può anche aiutare a comprendere il comportamento anomalo delle celle solari perovskite. Poiché i FET di Perovskite mostrano scarse prestazioni utilizzando la caratterizzazione convenzionale, è stata proposta un'operazione in modalità gate pulsato dei FET PVK. Tale approccio si è dimostrato efficace nel ricostruire le curve caratteristiche FET, ma la scelta della durata dell'impulso è stata mantenuta fissa (500 µs). La scelta appare arbitraria, poiché lo screening degli ioni è chiaramente un processo dinamico, solleva interrogativi sulla validità dei parametri di trasporto della carica estratti di FET perovskite. In questo lavoro, abbiamo studiato le caratteristiche dipendenti dal tempo dei FET MAPbI3 3D elaborati in soluzione. Abbiamo osservato la scomparsa delle correnti elettriche, la mobilità apparente degli elettroni decade sorprendentemente fino a tre ordini di grandezza da 0,2 cm2V-1s-1 a ~410-4 cm2V-1s-1 con un tempo di durata dell'impulso che varia rispettivamente da 5 µs a 10 ms . Il decadimento delle prestazioni FET con un aumento della durata dell'impulso è attribuito all'accumulo di ioni ai confini del grano con l'avanzamento del tempo, che diminuisce il canale elettronico. Questo studio enfatizza l'effetto della risposta dinamica degli ioni sulle proprietà di trasporto della carica e questo lavoro sollecita la comunità di ricerca ad adottare tempistiche standard durante le indagini sui FET 3D PVK, in particolare i film sottili che sono più soggetti a difetti e migrazione degli ioni.