Primary Defects in Halide Perovskites : Effect on Stability and Performance for Photovoltaic Applications
Institution:
Institut polytechnique de ParisDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
During the last eleven years, Hybrid Organic Inorganic Perovskites (HOIPs) materials have emerged as an exciting topic of research for potential application in solar cell technologies due to their outstanding optoelectronic properties and processing advantages. However, HOIPs materials suffer from several drawbacks with, in peculiar, their lack of stability under operational conditions (light, bias, environment…). To improve this stability is one of the biggest challenges to be addressed before commercialization. The general formula for HOIPs is (A1,A2,A3,A4)Pb(X1,X2)3, where the A sites can be occupied by a distribution of 1 to 4 metallic/organic cations and X sites with halide anions. The role of native vacancy defects has been questioned as a possible cause for HOIPs solar cells degradation. The aim of this work is to understand the defect role in long term stability of HOIPs materials for photovoltaics. For this reason, primary defects were introduced in a controlled way via high energy electron irradiation (1MeV) in sets of layers and solar cells (SCs) fabricated using various HOIPs compounds. Those include the photovoltaic HOIPs prototype, MAPbI3 (A1PbX13), and emergent triple or quadruple cation mixed halide HOIPs, (CsMAFA)Pb(I1-xBrx)3 (A3PbX23) or (GACsMAFA)Pb(I1-yBry)3 (A4PbX23). The HOIPs layers are fabricated according to the same procedure as the HOIPs active SC layers and, subsequently, treated in similar conditions. For A1PbX13 and A3PbX23, the solar cells are of the p-i-n structure with organic hole and electron transport layer (HTL/ETL). The HOIPs layers are deposited on the glass/ITO/HTL (PEDOT:PSS) substrate without or with the top ETL layer (PCBM). For A4PbX23, the solar cells are of the n-i-p type with inorganic ETL (TiO2) and organic HTL (Spiro-OMeTAD) layers. The layers are directly deposited on glass without the ETL layer.Positron Annihilation Spectroscopy (PAS) gives direct evidence for native vacancy-type defects and irradiation induced ones in layers of each HOIP compound. The energy dependence of absorbance shows that natural and after irradiation ageing generates different defect populations in each HOIP compound. These populations strikingly also differ depending on the absence or presence of the top ETL layer for the A1PbX13 and A3PbX23 compounds. The defect populations evolve over ageing duration as long as 3 months. The prominent effects of ageing include (i) band gap modification, (ii) tailing of conduction/valence band extrema and (iii) optical absorption via deep subgap electronic levels. Illumination effects under laser also vary with ageing for each HOIP compound. Asymmetric photoluminescence (PL) peaks in each compound under continuous laser illumination reflect that radiative emission involves Gaussian emission rays with energy, FWHM and height evolving with illumination time. The emission transitions involve shallow localized electronic levels in A3PbX23 and A4PbX23 and resonant ones in A1PbX13. These electronic levels are attributed to specifically illumination-induced defect populations. Natural and after irradiation ageing result in PL decay lifetime spectra resolved into one or two exponential decay components. The decay components number and lifetime are strongly affected by the initial production of irradiation defects and HOIPs composition. Such effects last over 3 months at least in A4PbX23. The p-i-n solar cells exhibit most striking irradiation ageing induced photovoltaics performance. The External Quantum Efficiency (EQE versus photon energy) and the photovoltaic performance (I-V under illumination) of the irradiated solar cells have higher values than those in the reference SCs after 6 to 12 months of ageing. This gives evidence that defect engineering via high energy electron irradiation has a potential for providing innovative processing pathways to enhance the long-term stability of HOIPs photovoltaic performance.
Abstract FR:
Ces onze dernières années ont vu apparaitre les pérovskites organiques inorganiques hybrides (HOIPs) comme un passionnant domaine de recherche pour leur application potentielle dans les technologies du photovoltaïque (PV) en raison de leurs exceptionnelles propriétés optoélectroniques et de leur facilité de mise en oeuvre. Cependant, les matériaux HOIPs ont plusieurs inconvénients dont leur manque de stabilité en conditions opérationnelles. Améliorer celle-ci est l'un des plus grands défis à relever avant commercialisation. La formule générale est (A1,A2,A3,A4)Pb(X1,X2)3, où les sites A occupés par une distribution de 1 à 4 cations métalliques/organiques et les sites X par celle d’anions halogénures. Les défauts lacunaires natifs sont considérés comme une cause possible de dégradation des cellules solaires HOIPs. L'objectif de ce travail est de comprendre le rôle des défauts dans la stabilité à long terme des matériaux PV HOIPs. A cette fin, des défauts primaires ont été introduits de manière contrôlée par irradiation avec des électrons de haute énergie (1MeV) dans des lots de couches et cellules solaires (SCs) à base de divers composés HOIPs. Il s'agit notamment du prototype PV HOIPs, MAPbI3 (A1PbX13), et de nouveaux composés mixtes d’halogénures à triple ou quadruple cations, (CsMAFA)Pb(I1-xBrx)3 (A3PbX23) ou (GACsMAFA)Pb(I1-yBry)3 (A4PbX23). Les couches sont fabriquées selon la même procédure que les couches actives SCs et, ensuite, traitées dans des conditions similaires. Pour A1PbX13/A3PbX23, la structure SC est de type p-i-n avec des couches organiques pour le transport des trous et des électrons (HTL/ETL). Les couches sont déposées sur le substrat verre/ITO/HTL (PEDOT:PSS) sans ou avec couche supérieure ETL (PCBM). Pour A4PbX23, la structure SC est de type n-i-p avec des couches ETL inorganiques (TiO2) et HTL organiques (Spiro-OMeTAD). Les couches sont directement déposées sur du verre.La spectroscopie d'annihilation de positons donne une évidence directe de l'existence de défauts lacunaires natifs et induits par irradiation dans chaque composé. Les spectres d’absorbance en fonction de l’énergie montrent que le vieillissement naturel et après irradiation génère différentes populations de défauts dans chaque composé. De plus, celles-ci pour A1PbX13 et A3PbX23 diffèrent selon l'absence ou la présence de la couche supérieure ETL. Les populations de défauts évoluent pendant au moins 3 mois. Le vieillissement modifie (i) la bande interdite, (ii) les queues de bande de conduction/valence et (iii) l'absorption optique via des niveaux électroniques profonds. Les effets d’illumination sous laser varient aussi en fonction du vieillissement. L’asymétrie des pics de photoluminescence (PL) dans chaque composé sous illumination laser continue reflète une superposition de raies d’émission gaussiennes à énergie, FWHM et hauteur évoluant avec le temps d'illumination. Les transitions d'émission impliquent des niveaux électroniques localisés peu profonds dans A3PbX23/A4PbX23 et résonnants dans A1PbX13. De tels effets durent au moins 3 mois dans A4PbX23. Ces niveaux électroniques sont attribués à des populations de défauts spécifiquement induits par illumination. Le vieillissement naturel et après irradiation donne des spectres PL à décroissance temporelle résolue en une ou deux exponentielles. Le nombre et la durée de vie sont fortement influencés par l’irradiation initiale et la composition. Une amélioration frappante du fonctionnement PV pour le type SC p-i-n est induite par le vieillissement dû à l'irradiation. Le rendement quantique externe et les performances PVs ont des valeurs plus élevées pour l’état irradié que de référence durant 6 à 12 mois de vieillissement. Cela prouve que l'ingénierie des défauts par irradiation d'électrons à haute énergie a le potentiel de fournir des voies de traitement innovantes pour améliorer la stabilité à long terme des performances photovoltaïques HOIPs.