Understanding the temperature and pressure dependence of the optoelectronic and structural properties of FAxMA1-xPbI3 perovskite solid solutions

Abstract

Les perovskita orgàniques/inorgàniques híbrides han atret molta atenció des que es van introduir per primera vegada en un dispositiu fotovoltaic fa deu anys, obtenint una eficiència de el 3%. Des de llavors, l’eficiència de les cel·les solars de perovskita ha augmentat fins a gairebé igualar l’eficiència de les cel·les fotovoltaiques comercials de silici. A més, permet la fabricació de dispositius flexibles a un preu reduït. A causa de les seves propietats optoelectròniques excepcionalment bones, també s’està duent a terme una intensa recerca per trobar diferents aplicacions d’aquest tipus de materials, ja sigui com a sensors, làsers o díodes emissors de llum. No obstant això, encara s’han d’abordar alguns problemes que presenten, com la inestabilitat química o estructural en condicions ambientals. Per tal de comprendre millor l’estabilitat estructural i el paper exercit per la interacció entre el catió orgànic i la xarxa inorgànica, estudiem les propietats estructurals i optoelectròniques de les perovskita de la família FAxMA1-xPbI3 a diferents pressions (fins a 15 GPa) i temperatures (de 10 a 385 K). La nostra investigació d’aquest material és realitzada per mitjà d’espectroscòpia òptica no invasiva, com fotoluminiscència (PL), Raman i elipsometría. En els articles aquí recopilats es mostra el primer diagrama de fase complet de perovskita de iodur de plom de cations mixtes (formamidinio i metilamonio), en funció de la temperatura i la composició. Aquest diagrama pot servir per avaluar la concentració relativa òptima dels cations orgànics per estabilitzar la fase cúbica pel que fa als canvis de temperatura. Aquests materials també presenten una dependència atípica del bandgap amb temperatura, que en la literatura s’atribueix exclusivament a la renormalització del gap causa de la interacció electró-fonó. No obstant això, és aquest treball mostrem que els efectes d’expansió tèrmica també juguen un paper decisiu en la dependència del gap amb temperatura. De totes les combinacions de la família de perovskita d’halur organometàl·lic, MAPbI3 és probablement el més estudiat a causa de les seves excel·lents propietats. Se sap que la interacció entre el moviment dels cations orgànics i la gàbia inorgànica rígida té un paper decisiu en l’estructura cristal·lina d’aquest material. Per exemple, a causa de el desordre dinàmic de les molècules de metilamonio, la perovskita MAPbI3 adopta una fase cúbica altament simètrica a altes temperatures. Quan es refreda, tant la contracció de la xarxa com la reducció de la simetria a causa d’una transició a una fase ortorrómbica bloquegen les molècules de MA en els buits de la xarxa inorgànica. En els articles aquí compilats observem per primera vegada un efecte similar però a temperatura ambient, aplicant pressió hidrostàtica a el material. En ambdós casos, el bloqueig dels cations de MA es pot observar indirectament a través d’una reducció dràstica dels amples de línia de fonons en els mesuraments Raman. Demostrant, d’aquesta manera, que és possible alterar les propietats vibratòries del material aplicant una pressió controlada. Finalment, la modificació del valor del bandgap i la variació de l’estructura de bandes de sistema mixt FAxMA1-xPbI3 s’avalua en funció de la composició de FA amb elipsometría i fotoluminiscència.

Las perovskitas orgánicas/inorgánicas híbridas han atraído mucha atención desde que se introdujeron por primera vez en un dispositivo fotovoltaico hace diez años, obteniendo una eficiencia de alrededor del 3%. Desde entonces, la eficiencia de las celdas solares de perovskita ha aumentado hasta casi igualar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas comerciales de silicio. Además, permite la fabricación de dispositivos flexibles a un precio reducido. Debido a sus propiedades optoelectrónicas excepcionalmente buenas, también se está llevando a cabo una intensa investigación para encontrar diferentes aplicaciones de este tipo de materiales, ya sea como sensores, láseres o diodos emisores de luz. Sin embargo, todavía deben abordarse algunos problemas que presentan, como la inestabilidad química o estructural en condiciones ambientales. Con el fin de comprender mejor la estabilidad estructural y el papel desempeñado por la interacción entre el catión orgánico y la red inorgánica, estudiamos las propiedades estructurales y optoelectrónicas de las perovskitas de la familia FAxMA1-xPbI3 a diferentes presiones (hasta 15 GPa) y temperaturas (de 10 a 385 K). Nuestra investigación de este material es realizada por medio de espectroscopía óptica no invasiva, como fotoluminiscencia (PL), Raman y elipsometría.

En los artículos aquí recopilados se muestra el primer diagrama de fase completo de perovskitas de yoduro de plomo de cationes mixtos (formamidinio y metilamonio), en función de la temperatura y la composición. Este diagrama puede servir para evaluar la concentración relativa óptima de los cationes orgánicos para estabilizar la fase cúbica con respecto a los cambios de temperatura. Estos materiales también presentan una dependencia atípica del bandgap con temperatura, que en la literatura se atribuye exclusivamente a la renormalización del gap debido a la interacción electrón-fonón. Sin embargo, es éste trabajo mostramos que los efectos de expansión térmica también juegan un papel decisivo en la dependencia del gap con temperatura.

De todas las combinaciones de la familia de perovskitas de haluro organometálico, MAPbI3 es probablemente el más estudiado debido a sus excelentes propiedades. Se sabe que la interacción entre el movimiento de los cationes orgánicos y la jaula inorgánica rígida tiene un papel decisivo en la estructura cristalina de este material. Por ejemplo, debido al desorden dinámico de las moléculas de metilamonio, la perovskita MAPbI3 adopta una fase cúbica altamente simétrica a altas temperaturas. Cuando se enfría, tanto la contracción de la red como la reducción de la simetría debido a una transición a una fase ortorrómbica bloquean las moléculas de MA en los huecos de la red inorgánica. En los artículos aquí compilados observamos por primera vez un efecto similar pero a temperatura ambiente, aplicando presión hidrostática al material. En ambos casos, el bloqueo de los cationes de MA se puede observar indirectamente a través de una reducción drástica de los anchos de línea de fonones en las mediciones Raman. Demostrando, de ésta manera, que es posible alterar las propiedades vibratorias del material aplicando una presión controlada. Finalmente, la modificación del valor del bandgap y la variación de la estructura de bandas del sistema mixto FAxMA1-xPbI3 se evalúa en función de la composición de FA con elipsometría y fotoluminiscencia.

Hybrid organic/inorganic perovskites have attracted a lot of attention since they were first introduced in a working photovoltaic device ten years ago, yielding an efficiency of around 3%. Since then, the efficiency of the perovskite solar cells has risen to almost stand toe to toe with that of commercial silicon photovoltaics. Besides, it allows the fabrication of flexible devices at an inexpensive cost. Due to its exceptionally good optoelectronic properties, there is also an intense research for different applications of this type of materials, such as sensors, lasers or light-emitting diodes. However, they still present some issues that need to be addressed, such as chemical or structural instabilities under ambient conditions. In order to better understand the structural stability, and the role played by the interaction between the organic cation and the inorganic framework, we studied the structural and optoelectronic properties of perovskites of the family FAxMA1-xPbI3 at different pressures (up to 15 GPa) and temperatures (10 to 385 K). We investigated this material by noninvasive optical spectroscopy means, such as photoluminescence (PL), Raman and ellipsometry.

In the articles here compiled, the first complete phase diagram of mixed cation (formamidinium and methylammonium) lead iodide perovskites is provided as a function of temperature and composition. This serves to assess the best relative concentration of the organic cations to stabilize the cubic phase with respect to temperature changes. These materials also present an atypical dependence of the bandgap with temperature, which in the literature is ascribed exclusively to a huge electron-phonon renormalization. However, here we show that thermal expansion effects also play a decisive role in the temperature behavior of the fundamental gap.

From all the combinations in the family of organometal halide perovskites, MAPbI3 is probably the most studied due to its outstanding optoelectronic properties. It is known that the interplay between the movement of the organic cations and the rigid inorganic cage has a decisive role in the crystalline structure of this material. For instance, due to the dynamic disorder of the methylammonia, MAPbI3 adopts a highly symmetric cubic phase at high temperatures. When cooling down, both the contraction of the lattice and the reduction of symmetry due to a transition to an orthorhombic phase lock the MA molecules in the cage voids. We are able to observe for the first time a similar effect but at room temperature, by applying hydrostatic pressure to the material. In both cases, the locking of the MA cations can be indirectly observed through a drastic reduction of the phonon linewidths in Raman experiments. We have shown, in this way, that it is possible to alter the vibrational properties of the material by applying a controlled hydrostatic pressure. Finally, the tuning of the bandgap and the variation of the band structure of the mixed-system FAxMA1-xPbI3 is evaluated as a function of FA composition with ellipsometry and photoluminescence.