Síntesis y caracterización de películas delgadas de la perovskita doble Rb3Bi2I9 para aplicaciones fotovoltaicas

Abstract

Actualmente, se investigan de manera intensiva nuevos materiales fotovoltaicos basados en compuestos híbridos orgánico-inorgánicos que cristalizan en estructura tipo perovskita, debido a sus excepcionales propiedades ópticas y de transporte eléctrico, entre las que destacan una brecha de energía prohibida óptima, alta capacidad de absorción fotónica y gran longitud de difusión de portadores. El objetivo principal de este proyecto fue identificar las condiciones óptimas para el crecimiento de películas delgadas del compuesto Rb3Bi2I9 con estructura tipo perovskita, libres de fases secundarias. Se trata de un material completamente inorgánico, propuesto como capa activa en celdas solares con alta estabilidad. Es importante destacar que este compuesto está libre de plomo (Pb), lo cual representa una ventaja significativa, dado que el Pb es tóxico. Las perovskitas que han mostrado las mayores eficiencias en dispositivos fotovoltaicos suelen contener Pb en su composición, siendo el compuesto más representativo CH3NH3PbI3 (MAPbI3) utilizado comúnmente como capa activa en este tipo de celdas. En el marco de este trabajo también se hicieron aportes relacionados con: Optimización de las propiedades ópticas, estructurales y morfológicas de películas delgadas del compuesto inorgánico Rb3Bi2I9, mediante una estrategia que incluye: i) La optimización del proceso de producción de películas delgadas, implementando un sistema electrónico que permite controlar automáticamente el proceso de deposición, ii) Un estudio del efecto de los parámetros de síntesis sobre las propiedades mencionadas, a través de caracterización experimental empleando técnicas como Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Transmitancia Espectral En particular, se encontró que, a través de un proceso de recocido, realizado en atmosfera de nitrógeno N2 a alta presión, es posible mejorar significativamente la morfología y calidad cristalina de las películas delgadas de Rb3Bi2I9, así como también una reducción notable de la densidad de defectos intrínsecos y estructurales. Un estudio de degradación realizados durante 3 meses mediante seguimiento con medidas de XRD, demostró que las películas delgadas de Rb3Bi2I9 son altamente estables frente a procesos de degradación que generalmente se presentan en perovskitas hibridas cuando estas son expuestas al ambiente. (Texto tomado de la fuente)

New photovoltaic materials based on organic-inorganic hybrid compounds that crystallize in a perovskite-like structure are currently under intensive research due to their exceptional optical and electrical transport properties, including an optimal energy gap, high photon absorption capacity, and long carrier diffusion lengths. The main objective of this project was to identify the optimal conditions for the growth of thin films of the Rb3Bi2I9 compound with a perovskite-like structure, free of secondary phases. This is a completely inorganic material, proposed as an active layer in solar cells with high stability. Importantly, this compound is lead (Pb)-free, a significant advantage given that Pb is toxic. The perovskites that have demonstrated the highest efficiencies in photovoltaic devices typically contain Pb in their composition, with the most representative compound being CH3NH3PbI3 (MAPbI3), commonly used as the active layer in this type of cell. Optimization of the optical, structural and morphological properties of thin films of the inorganic compound Rb3Bi2I9, through a strategy that includes: i) The optimization of the thin film production process, implementing an electronic system that allows automatic control of the deposition process, ii) A study of the effect of the synthesis parameters on the mentioned properties, through experimental characterization using techniques such as X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Spectral Transmittance. In particular, it was found that through an annealing process, carried out in a high- pressure nitrogen atmosphere, it is possible to significantly improve the morphology and crystalline quality of Rb3Bi2I9, thin films, as well as a notable reduction in the density of intrinsic and structural defects. A degradation study carried out for 3 months by monitoring with XRD measurements revealed that the Rb3Bi2I9, thin films are highly stable against degradation processes that generally occur in hybrid perovskites when they are exposed to the environment.