Impact of extrinsic factors on the photoluminescence spectra of lead-halide perovskite layers

The aim of this thesis is to assess the impact of purely extrinsic factors on the experimen- tally observed photoluminescence (PL) spectra of lead-halide perovskite layers. Metal-halide perovskites emerged as a an efficient and cost effective alternative for Si as a photovoltaic material, reaching efficiencies above 26 % in less than 15 years of research. A variety of fabrication processes and formulations of widely different bandgaps have been proposed, requiring adequate characterisation methods to understand their properties. PL spectroscopy is a powerful characterisation method to investigate core properties of a perovskite layer, such as the bandgap and the recombination mechanisms. Differently from other characterisation methods, PL spectroscopy does not require charge extraction and can be performed also on single layers of material, allowing to extract information about the pure properties of the absorber regardless of the quality of the other layers. However, there is still a large incomparability between PL spectra obtained in different research groups or even in different setups, hindering the benefits associated with the time effective research. This work investigates the effect of purely optical factors on PL spectra of perovskite layers, such as the type of sample holder used, the illumination side, the thickness of the sample and the geometry of the setup, with a numerical and experimental approach. A numerical model is presented that accounts for the optical effect of these variations in the optical environment, yielding a specific correction factor for the experimental PL spectra measured in different configurations. The corrected spectra are shown to con- stitute a much more comparable quantity with respect to the experimentally observed ones, suggesting that applying such an optical correction can contribute to reduce the incomparability of information extracted from different experimental PL spectra.

L’obiettivo di questa tesi è valutare l’impatto di fattori puramente estrinseci sulla fotolu- minescenza (PL) di perovskiti a base metallica. I materiali perovskitici stanno emergendo come materiale fotovoltaico efficiente e eco- nomico in alternativa al silicio, raggiungendo efficienze superiori al 26% in meno di 15 anni di ricerca. Sono state proposti vari processi di fabbricazione e una vasta gamma di formulazioni di bandgap diversa, e adeguati metodi di caratterizzazione sono neces- sari per comprendere le proprietá di una tale varietá di materiali. La spettroscopia di fotoluminescenza è un potente strumento per indagare le proprietà fondamentali di un film di perovskite, come la bandgap e i meccanismi che dominano la ricombinazione di carica. A differenza di altri metodi di caratterizzazione, la spettroscopia PL non necessita l’estrazione di portatori e può essere eseguita anche su singoli film di materiale, consen- tendo di indagare le proprietà dell’assorbitore indipendentemente dalla qualità degli altri strati della cella solare. Tuttavia sussiste ancora una grande incongruenza tra gli spettri PL ottenuti in diversi gruppi di ricerca o in diverse configurazioni sperimentali. Questa tesi indaga l’effetto di fattori puramente ottici sugli spettri PL di film perovskitici, come il tipo di portacampione, il lato di illuminazione del campione, lo spessore del film e la geometria del setup sperimentale, con un approccio numerico e sperimentale. Viene pro- posto un modello numerico che tiene conto dell’impatto di queste variazioni nell’ambiente ottico, producendo un fattore di correzione specifico per gli spettri PL sperimentali mis- urati in diverse configurazioni. Si mostra che gli spettri corretti combaciano notevolmente di più di quelli osservati sperimentalmente, fatto che suggerisce i potenziali benefici di una simile correzione ottica nel ridurre l’incongruenza tra le informazioni estratte da diversi esperimenti di spettroscopia PL.