Perovskite based inks for optoelectronic devices

Halide perovskite semiconductors have the potential to merge the highly efficient operational principles of conventional inorganic semiconductors with the low temperature solution processability of emerging organic and hybrid materials. Since the first report on perovskite based solar cells in 2012, there has been a world-wide explosion of research activities on these materials, with laboratory-scale solar cells power conversion efficiencies recently exceeding 23%. The growing interest in hybrid perovskite semiconductors has soon expanded their fields of application, with proof of concept of electroluminescent, lasing devices and potentially impacting optoelectronics under many aspects. The commonly used solvents to depose perovskite thin film are high boiling point, diprotic and/or carcinogenic organic solvents which implies health and environmental hazards. Moreover the possibility to finely control the material’s crystallization play an important role in the optoelectronics properties of the material. Particle-based ink formulations in safer and more environmentally friendly solvents can represent a successful strategy to fully deploy the technology. For this reason are developed different kind of inks with the idea to use non-hazardous solvents and large area compatible deposition techniques to achieve a decrease in the price of waste handling and the possibility to easily up-scale the process for different optoelectronic applications: i. a printable ink containing MAPbI3 perovskite particles dispersed in propan-2-ol is used for light detection in the visible range. The devices showed the highest measured specific detectivity in printed light detectors till date, reaching a maximum value of 7.23 x 1013 Jones, even higher than in commercially available Silicon photodiodes. Moreover, the response time is at least one order of magnitude lower than in any other printed perovskite photodetector. ii. another ink might permit to realize tandem solar cells based on the junction between perovskite/perovskite or silicon/perovskite. A fast and one-step-injection synthesis at room temperature is optimized, leading to the formation of stable, fully inorganic cesium lead bromide (CsPbBr3) perovskite nanocrystals used as active material in wide (2.32 eV) band gap solar cells. The devices are tested under solar simulator and white LED to exploit outdoor and indoor light harvesting applications. Both synthesis and deposition technique are easily up-scalable. iii. the last ink is an highly luminescent dispersion of MAPbBr3 nanocrystals. The improved luminescence stability and enhanced photoluminescence efficiency of nanocrystals is achieved by growing a shell of a wider band gap semiconductor on top of the narrower band gap one. This structure is known as core–shell nanocrystals. Stability in environment conditions, high photoluminescence quantum yield and long carrier lifetime are fundamental for active materials in Light Emitting Diodes.

I semiconduttori con struttura a perovskite permettono di unire i vantaggi dei semiconduttori inorganici con la deposizione da soluzione a basse temperature di materiali organici e ibridi. A seguito della pubblicazione del primo lavoro sulle celle solari a perovskite nel 2012, un’esplosione di attività di ricerca su questi materiali si è rapidamente espansa in tutto il mondo, ottenendo efficienze oltre il 23% per quanto riguarda la conversione da energia solare a energia elettrica in dispositivi realizzati in laboratorio. Il crescente interesse per questi semiconduttori ha velocemente ampliato i possibili campi di applicazione, con dispositivi elettroluminescenti, laser e altri diversi dispositivi optoelettronici. I solventi comunemente utilizzati per la deposizione di film sottili di perovskite sono solventi organici ad alto punto di ebollizione, diprotici e/o cancerogeni. Utilizzarli a livello industriale implicherebbe rischi per la salute e l'ambiente. Inoltre, la possibilità di controllare con precisione la cristallizzazione del materiale gioca un ruolo fondamentale nelle proprietà optoelettroniche del materiale stesso. Gli inchiostri, costituiti da particelle disperse in solventi meno pericolosi e più rispettosi dell'ambiente, possono rappresentare una strategia vincente per la produzione in massa di dispositivi basati su materiali con la struttura della perovskite. Per questo motivo vengono sviluppati vari tipi di inchiostri per diverse applicazioni optoelettroniche, con l'idea di utilizzare solventi non pericolosi e tecniche di deposizione compatibili con aree maggiori. Questo permetterà di ottenere una diminuzione del prezzo di gestione dei rifiuti e la possibilità di eseguire facilmente il passaggio da un processo laboratoriale ad un processo industriale: i. un inchiostro stampabile contenente particelle di perovskite MAPbI3 disperse in alcool viene utilizzato per un dispositivo in grado di rilevare la luce nelle lunghezze d'onda del visibile. I dispositivi hanno mostrato la massima detettività specifica misurata fino ad oggi, raggiungendo un valore massimo di 7,23 x 10^13 Jones. Questo valore è superiore anche rispetto ai fotodiodi commerciali in silicio. Inoltre, il tempo di risposta è inferiore di almeno un ordine di grandezza rispetto a qualsiasi altro foto rivelatore a perovskite ottenuto utilizzando tecniche di stampa. ii. un altro inchiostro consente di realizzare celle solari tandem basate sulla giunzione tra perovskite/perovskite o silicio/perovskite. Una sintesi rapida e a temperatura ambiente è stata investigata, portando alla formazione di nanocristalli di perovskite completamente inorganici (CsPbBr3) utilizzati come materiale attivo in celle solari ad elevato gap di energia (2,32 eV). I dispositivi sono testati con simulatore di luce solare e LED bianchi per investigare l’applicazione di celle solari all'aperto e in ambiente indoor. Sia la sintesi che la tecnica di deposizione sono facilmente scalabili. iii. l'ultimo inchiostro investigato è costituito da una dispersione altamente luminescente di nanocristalli MAPbBr3. L’alta efficienza di emissione, l’elevata stabilità in aria dei nanocristalli e il lungo tempo di vita dei portatori sono stati ottenuti grazie alla presenza di un guscio di un semiconduttore a band gap più ampio attorno ad un semiconduttore con band gap più basso. Questa tipologia di cristalli è nota come nanocristalli core-shell. Le caratteristiche che presentano i nanocristalli ottenuti sono necessarie per la realizzazione di diodi emettitori di luce (LED).