Solution processing of perovskite based optoelectronic devices

Our society is urged to develop greener energy sources and low-energy consumption fabrication processes in order to face the continuously raising energetic demands, and to decrease the environmental impact of production plants and industries. With a two-hundred-fold increase in installed power capacity in the last fifteen years, photovoltaics promises to be one of the workhorses of the renewable energy generation. Commercially available modules are mostly based on silicon, and are produced with high-temperature fabrication processes. To contain costs and energy expenses, high throughputs and a limited design flexibility are imposed. Metal Halide Perovskites recently gathered the attention both of industry and of the scientific community as suitable semiconductors for solar energy harvesting. These materials combine lab-scale power conversion efficiencies that match those of commercial technologies with a cheap and energy efficient processing from solution. Beyond photovoltaics, the optoelectronic properties of perovskites make them suited for a broader range of applications as photodetection and light emission. To take full advantage of the benefits granted by the technology, various limitations have to be overcome. The aim of this thesis contribution is to relax some of the processing-related constraints. Methylammonium lead triiodide (MAPbI3), the most widely studied perovskite composition, will be used to benchmark the proposed solutions. The processing of perovskite raises concerns as it requires toxic solvents and is highly sensitive to the presence of moisture, restraining deposition to highly-pure nitrogen environments. The first part of this work is thus devoted to the study and development of a low-temperature fabrication route for perovskite, able to combine the deposition from a greener solvent with processability in air, despite the presence of high relative humidity. Solar cells are realized to prove the quality of the film. All of the layers except the electrodes are processed from solution at a low temperature, resulting in an overall energy efficient fabrication. The focus is then moved to the field of photodetection, where the use of energy intensive evaporation steps during device processing is crucial to the achievement of high operational speed and sensitivity. We investigate solution deposited metal-oxides as equal-performing alternatives to the commonly employed evaporated organic films. To demonstrate the validity of the proposed approach we study two different structures: one optimized for speed and the other for sensitivity.

Lo sviluppo di fonti energetiche più ecologiche e processi di fabbricazione a basso consumo energetico sono bisogni cardine per la nostra società, per affrontare il continuo aumento dei fabbisogni energetici e per ridurre l'impatto ambientale della produzione industriale. Con un aumento di duecento volte della potenza installata negli ultimi quindici anni, il fotovoltaico promette di essere uno dei punti cardine della nuova generazione di energie rinnovabili. I moduli disponibili in commercio sono per lo più basati sul silicio e sono prodotti con processi di fabbricazione ad alta temperatura. Per contenere i costi e le spese energetiche è necessario mantenere un’alta produttività. Viene pertanto imposta una limitata flessibilità di progettazione. Le formulazioni di perovskite basate su alogenuri metallici hanno recentemente richiamato l'attenzione sia dell'industria che della comunità scientifica, come semiconduttori promettenti per la conversione di energia solare. Questi materiali combinano (su scala di laboratorio) efficienze di conversione pari a quelle delle tecnologie commerciali con una deposizione da soluzione energeticamente efficiente e a basso costo. Oltre al fotovoltaico, le proprietà optoelettroniche delle perovskiti le rendono adatte per una gamma più ampia di applicazioni come la foto-rilevazione e l’emissione di luce. Per sfruttare appieno i vantaggi concessi dalla tecnologia, varie limitazioni devono essere superate. Lo scopo di questa tesi è quello di allentare alcuni dei vincoli relativi alla deposizione di questi materiali. Il Metilammonio piombo tri-ioduro (MAPbI3), la tipologia di perovskite più studiata, sarà utilizzato per validare le soluzioni proposte. La lavorazione della perovskite solleva preoccupazioni poiché richiede solventi tossici ed è altamente sensibile alla presenza di umidità, imponendo così l’utilizzo di atmosfere di azoto ad elevata purezza durante la deposizione. La prima parte di questo lavoro è quindi dedicata allo studio e allo sviluppo di un processo di fabbricazione a bassa temperatura per perovskite, in grado di combinare la deposizione da un solvente meno tossico con la processabilità in aria, nonostante la presenza di un’elevata umidità relativa. La qualità del film depositato è quindi validata con la realizzazione di celle solari. Tutti gli strati tranne gli elettrodi vengono depositati a bassa temperatura da soluzione, risultando in una fabbricazione efficiente dal punto di vista energetico. L'attenzione si sposta quindi sul campo della fotorilevazione, dove l'uso di step di evaporazione, inefficienti dal punto di vista energetico, durante la fabbricazione del dispositivo risulta fondamentale per raggiungimento di un’alta velocità operativa e sensibilità. Presentiamo qui come alternative dei film processati da soluzione di ossidi metallici, in grado di fornire eguali prestazioni rispetto ai film organici evaporati. Per dimostrare la validità dell’approccio studiamo due diverse strutture: una ottimizzata per la velocità e l'altra per la sensibilità.