Photophysics of Tin Halide Perovskites: interplay of carrier dynamics and defects

Tin halide perovskites, with a bandgap of 1.35-1.4 eV within ASnI3 compositions, have emerged as promising materials for solar cells. Despite their potential for up to 30% efficiency, tin-based solar cells lag behind lead-based ones. Achieving exceptional performance demands a profound understanding of the unique properties of this class of materials, a prerequisite before introducing the complexities linked to device fabrication. This thesis delves into the fundamental physics governing the optoelectronic properties and dynamics of excited states within tin-based perovskite semiconductors. It explores the intricate interplay between radiative and non-radiative recombination driven by factors such as doping and traps, with particular emphasis on the role of Auger recombination. Then, the reactivity of tin perovskites to various stimuli, including air exposure, light irradiation and electrical bias has been studied, unraveling their influence at both ultrafast and slower temporal scales, from fs to minutes. Furthermore, the thesis addresses pertinent aspects associated with realizing efficient devices. This includes the development of a methodology to spectroscopically probe carrier extraction, complemented by carrier dynamics and band energy simulations tailored for solar cell applications. It also encompasses the achievement of luminous and stable LEDs through the control of doping and trap density. Here, a delicate equilibrium is achieved, optimizing brightness while mitigating Auger recombination.

Le perovskiti a base di stagno, con un intervallo di banda di 1,35-1,4 eV per le composizioni ASnI3, sono emersi come materiali promettenti per le celle solari. Nonostante il loro potenziale di efficienza fino al 30%, le celle solari a base di stagno sono ancora indietro rispetto a quelle a base di piombo. Per raggiungere buone prestazioni, è necessaria una profonda comprensione delle proprietà uniche di questa classe di materiali, un prerequisito prima di introdurre le complessità legate alla fabbricazione dei dispositivi. Questa tesi approfondisce la fisica fondamentale che governa le proprietà optoelettroniche e la dinamica degli stati eccitati nei semiconduttori di perovskite a base di stagno. Esplora l'intricata interazione tra la ricombinazione radiativa e non radiativa guidata da fattori come il doping e gli stati trappola, con particolare enfasi sul ruolo della ricombinazione Auger. Inoltre, questo studio esamina la reattività dei perovskiti di stagno a vari stimoli, tra cui l'esposizione all'aria, l'irradiazione luminosa e il bias elettrico, svelandone l'influenza su scale temporali dai femtosecondi ai secondi. Inoltre, la tesi affronta alcuni aspetti legati alla realizzazione di dispositivi efficienti. Ciò include lo sviluppo di una metodologia per indagare spettroscopicamente l'estrazione dei portatori di carica, supportata da dinamiche dei portatori e simulazioni dell'energia delle bande per applicazioni in celle solari. Infine investiga i mezzi per ottenere LED luminosi e stabili attraverso il controllo del doping e della densità delle trappole, stabilendo un equilibrio ottimizzando la ricombinazione radiativa e mitigando quella di tipo Auger.