Optimization of MAPbI 3 -films grown under ambient conditions on Si/SiO 2 substrates for electrical characterization of perovskite materials

Abstract

Perovskite materials have recently emerged as a family of potential semiconductor materials for the fabrication of optoelectronic devices such as solar cells, light-emitting diodes, and transistors. This thesis aims to expand the available deposition and characterization techniques of the perovskite materials used by the research group I integrated. This allowed for the extraction of the doping character (n or p) of the perovskite layers deposited. To this end the deposition of MAPbI3 (MAPI) perovskite material on an Si/SiO2 substrate was thoroughly researched and optimized based on morphological, structural, and opti- cal characterization. For that, different solutions, annealing methods and spin-coating parameters were tested and analyzed with the help of characterization tools like SEM, XRD, UV-vis and PL. The film deposition was done under ambient conditions with the aim of allowing this characteriza- tion and deposition method to be made without more expensive equipment like the glovebox, where these materials are usually deposited, due to the controlled atmosphere conditions. The MAPI films showed a small number or nonexistence of pinholes with good coverage across the film. PL and UV-vis measurements revealed a 1.59 eV band gap. The devices showed a field effect mobility of 1.5 · 10!" cm2 /V.s. At lower temperature, the devices improved, and the mobility extracted was 6.1 · 10!# cm2 /V.s.

Materiais de perovskite têm surgido como potencias candidatos ao fabrico de dispositivos optoelec- trónicos como células solares, díodos emissores de luz e transístores. Esta tese pretende expandir as técnicas de deposição e caracterização dos materiais de perovskite usa- dos pelo grupo de pesquisa integrado. Para esse fim, a deposição da perovskite MAPbI3 (MAPI) em um substrato de Si/SiO 2 foi totalmente analisada e otimizada baseado em caracterização morfológica, estrutural e ótica. Para isso, soluções diferentes, métodos de recozimento e parâmetros de spin-coating foram testados e analisados com a ajuda de ferramentas de caracterização como SEM, XRD, UV-vis, e PL. A deposição do filme foi feita sobre condições ambientes com o intuito de permitir a caracterização e depo- sição destes materiais sem a necessidade de equipamento mais caro como uma glove-box, onde estes materi- ais são usualmente depositados devido as condições atmosféricas controladas que o equipamento permite. Os filmes de MAPI mostraram boa cobertura com a inexistência de buracos ao longo do filme. Me- dições de PL e UV-vis revelaram um hiato energético de 1.59 eV. Os dispositivos demonstraram uma mobi- lidade de efeito de campo de 1.5 · 10!" cm2 /V.s. A temperaturas mais baixas, os dispositivos melhoraram e mostraram uma mobilidade de 6.1 · 10!# cm2 /V.s.