Date of Award
5-2024
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Physics
Department
Physics
First Advisor
Dr. Adel Najar
Abstract
Perovskite materials have emerged as promising candidates for optoelectronic applications, particularly in solar cells and photodetectors, due to their remarkable properties such as high carrier mobility, tunable bandgap, and low-cost fabrication. This thesis explores two novel approaches, namely monovalent doping and bulk as well as surface passivation, to enhance the performance and stability of perovskite-based devices.
The primary goal of this research is to enhance the properties of perovskite materials to improve their optoelectronic performance, aiming to broaden their use in solar cells and photodetector devices. Specifically, this study seeks to evaluate the effectiveness of Cu doping and Zinc porphyrin passivation techniques in improving the efficiency and stability of perovskite solar cells. Additionally, the research aims to enhance the performance of photodetectors by employing the Zinc porphyrin passivation method.
To achieve the objectives, a systematic approach involving synthesis, characterization, and device fabrication was employed. Perovskite films were synthesized using a cost-effective spin-coating technique. Cu doping was achieved through controlled incorporation of Cu+ion during synthesis, while Zinc porphyrin passivation was implemented through the bulk as well as surface modification using the antisolvent engineering techniques. Various characterization techniques, including X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, and electrical measurements, are employed to assess the structural, optical, and electronic properties of the modified perovskite materials.
Experimental results demonstrate the successful incorporation of Cu dopant into the perovskite lattice. Optimizing the amount of Cu has been found to significantly enhance crystalline quality and grain size, leading to improved light absorption and higher efficiency. Consequently, the power conversion efficiency (PCE) of Cu-doped MAPbI3 perovskite solar cells increased from 16.3% to 18.2%. However, Zinc porphyrin passivation enhances the grain size and reduces defects, improves the optical properties, and charge transport efficiency of FA0.95MA0.05PbI2.85Br0.15 perovskite solar cells. This approach significantly boosts the PCE from 15.38% to 19.11% while ensuring exceptional stability, retaining over 91% of initial efficiency.
The bulk passivation of perovskite single crystal was also made possible during the inverse temperature crystallization process. Photodetectors integrated onto single crystal surfaces were also fabricated, and their performance in photodetection was assessed. Photodetectors utilizing Zinc porphyrin passivation demonstrated enhanced photodetection properties and rapid response speed, leading to superior performance in low-light conditions compared to un-passivated devices. The Photodetector devices passivated with 0.05% Zn-PP exhibited the best performance with a responsivity of 5.16 (A/W) and external quantum efficiency (EQE) of about 1581% whereas the un passivated sample exhibited a responsivity of 1.05 A/W and EQE of 320%. Furthermore, the photocurrent for the un-passivated sample has shown a rise time (tr) of 7.5 μs and fall time (tf) of 84.8 μs as a function of time. However, with a 0.05% Zn-PP passivation, the tr and tf were reduced to 2.6 μs and 57.9 μs, respectively.
This thesis contributes to the advancement of perovskite-based optoelectronic devices by introducing novel strategies for improving material properties and device performance. The successful implementation of monovalent doping and metal porphyrin passivation demonstrates the potential of these approaches in enhancing the efficiency and stability of perovskite solar cells and the performance of the photodetector devices. The insights gained from this research pave the way for further optimization of perovskite materials and the development of high-performance optoelectronic devices.
Arabic Abstract
مواد البيروفسكايت لتطبيقات الإلكترونيات الضوئية :الخلايا الشمسية وأجهزة الكشف الضوئي
برزت مواد البيروفسكايت كمرشحات واعدة للتطبيقات الإلكترونية البصرية، وخاصة في الخلايا الشمسية وأجهزة الكشف الضوئي، وذلك بسبب خصائصها الرائعة مثل قابلية الحركة العالية للحامل، وفجوة النطاق القابلة للضبط، والتصنيع منخفض التكلفة. تستكشف هذه الأطروحة نهجين جديدين، وهما المنشطات أحادية التكافؤ والتخميل السائب وكذلك السطح، لتعزيز أداء واستقرار الأجهزة المعتمدة على البيروفسكايت.
الهدف الأساسي من هذا البحث هو تعزيز خصائص مواد البيروفسكايت لتحسين أدائها الإلكتروني الضوئي، بهدف توسيع نطاق استخدامها في الخلايا الشمسية وأجهزة الكاشف الضوئي. على وجه التحديد، تسعى هذه الدراسة إلى تقييم فعالية تقنيات تخميل النحاس والبورفيرين الزنك في تحسين كفاءة واستقرار الخلايا الشمسية البيروفسكايت. بالإضافة إلى ذلك، يهدف البحث إلى تحسين أداء أجهزة الكشف الضوئية من خلال استخدام طريقة تخميل بورفيرين الزنك.
ولتحقيق الأهداف، تم استخدام نهج منهجي يتضمن التوليف، والتوصيف، وتصنيع الأجهزة. تم تصنيع أفلام البيروفسكايت باستخدام تقنية طلاء الدوران فعالة من حيث التكلفة. تم تحقيق منشطات النحاس من خلال الدمج المتحكم فيه لأيون Cut أثناء عملية التوليف، في حين تم تنفيذ تخميل بورفيرين الزنك من خلال تعديل الجزء الأكبر وكذلك السطح باستخدام تقنيات الهندسة المضادة للإذابة. يتم استخدام تقنيات التوصيف المختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية، والتحليل الطيفي للتألق الضوئي، والقياسات الكهربائية لتقييم الخصائص الهيكلية والبصرية والإلكترونية لمواد البيروفسكايت المعدلة.
توضح النتائج التجريبية الدمج الناجح لمادة النحاس في شبكة البيروفسكايت. لقد وجد أن تحسين كمية النحاس يؤدي إلى تحسين الجودة البلورية وحجم الحبوب بشكل كبير، مما يؤدي إلى تحسين امتصاص الضوء وزيادة الكفاءة. ونتيجة لذلك، زادت كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للخلايا الشمسية البيروفسكايت MAPbI3 المطعمة بالنحاس من 16.3% إلى 18.2%. ومع ذلك، فإن تخميل بورفيرين الزنك يعزز حجم الحبوب ويقلل العيوب، ويحسن الخصائص البصرية ويزيد من كفاءة نقل الشحنات للخلايا الشمسية البيروفسكايت FA0.95MA0.05 PbI2.85 Br0.15. يعمل هذا النهج على تعزيز معدل نفقات الاستهلاك الشخصي بشكل كبير من 15.38% إلى 19.11% مع ضمان استقرار استثنائي، مع الاحتفاظ بأكثر من 91% من الكفاءة الأولية.
أصبح التخميل بالجملة لبلورة البيروفسكايت المفردة ممكنا أيضًا أثناء عملية بلورة درجة الحرارة العكسية. تم أيضا تصنيع أجهزة الكشف الضوئي المدمجة على الأسطح البلورية الفردية، وتم تقييم أدائها في الكشف الضوئي. أظهرت أجهزة الكشف الضوئي التي تستخدم تخميل بورفيرين الزنك خصائص محسنة للكشف الضوئي وسرعة الاستجابة السريعة، مما يؤدي إلى أداء فائق في ظروف الإضاءة المنخفضة مقارنة بالأجهزة غير الخاملة. أظهرت أجهزة الكاشف الضوئي التي تم تخميلها بنسبة 0.05% Zn-PP أفضل أداء مع استجابة قدرها 2.54 (A/W) وكفاءة كمية خارجية (EQE) تبلغ حوالي 778% بينما .
أظهرت العينة غير المنشط استجابة قدرها 1.06 A/W و كفاءة الطاقة 324% علاوة على ذلك، أظهر التيار الكهروضوئي للعينة غير المنشطة وقت صعود (tr) قدره 7.5 ميكروثانية ووقت سقوط (tf) قدره 84.8 ميكروثانية كدالة للوقت. ومع ذلك ، مع تخميل Zn-PP بنسبة 0.05% ، تم تخفيض tr و tf إلى 2.6 μs و 57.9 μs على التوالي.
تساهم هذه الأطروحة في تطوير الأجهزة الإلكترونية الضوئية القائمة على البيروفسكايت من خلال تقديم استراتيجيات جديدة لتحسين خصائص المواد وأداء الجهاز. يوضح التنفيذ الناجح للمنشطات أحادية التكافؤ وتحميل البورفيرين المعدني إمكانات هذه الأساليب في تعزيز كفاءة واستقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية وأداء أجهزة الكشف الضوئي.
تمهد الأفكار المكتسبة من هذا البحث الطريق لمزيد من التحسين لمواد البيروفسكايت وتطوير أجهزة إلكترونية بصرية عالية الأداء.
Recommended Citation
Soopy, Abdul Kareem Kalathil, "PEROVSKITE MATERIALS FOR OPTOELECTRONICS APPLICATIONS: SOLAR CELLS AND PHOTODETECTORS" (2024). Dissertations. 274.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/274
