Optimización de propiedades de películas delgadas de CsPbBr3, con estructura perovskita, depositadas por evaporación secuencial

Abstract

Resumen Este trabajo se reportan aportes hechos en la síntesis y estudio de propiedades ópticas, eléctricas, morfológicas y estructurales de películas delgadas del compuesto CsPbBr3 crecido con estructura Perovskita usando una ruta basada en evaporación secuencial y coevaporación de los precursores (CsBr y PbBr2) en ambiente de alto vacío, con el propósito de usar posteriormente este material como capa activa de celdas solares. En primera instancia se adecuo el reactor para sintetizar las películas de CsPbBr3, el cual incluye facilidades para monitorear y controlar en forma automática el proceso de producción de las muestras a través de un sistema electrónico desarrollado usando el concepto de Instrumentación virtual (VI); en particular este sistema permite hacer un control electrónico de la temperatura de las fuentes de evaporación de los precursores, así como también de la tasa de deposición del material sobre el sustrato usando algoritmos PID y PWM desarrollados con el software Labview. El control automático del reactor permite preparar películas del CsPbBr3 con un alto grado de reproducibilidad tanto en espesor como de sus propiedades.

Después de automatizar el reactor, se realizó un estudio del efecto que los distintos parámetros de síntesis (Temperatura de sustrato, rata de evaporación, recocido de las muestras) generan sobre las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas del material crecido a partir de los precursores CsBr y PbBr2 depositados secuencialmente. Mediante evaluación realizada por difracción de rayos X se encontró que se las muestras preparadas presentan mayoritariamente la fase CsPbBr3; de otro lado, a través de medidas de reflectancia y transmitancia se determinó el coeficiente de absorción α y el gap de energía Eg, cuyos valores son del orden de 104 cm-1 y 2.3 eV, los cuales son adecuados para usar este material como campa activa de celdas solares. Adicionalmente las muestras fabricadas se analizaron usando Microscopia Electrónica de barrido SEM cuyos resultados mostraron que estas presentan una morfología constituida por granos compactos y de tamaño que llega ser mayor que 1.5 μm, con lo cual se garantiza un buen transporte eléctrico.

Finalmente, después de optimizar los parámetros de síntesis del compuesto CsPbBr3, se fabricaron celdas solares con arquitectura Au/TiO2/CsPbBr3/P3HT/Au, y se evaluó su desempeño a través de medidas de la característica J-V.

Palabras clave: Películas delgadas de CsPbBr3, Perovskitas, Physical Vapor Deposition, Propiedades ópticas, Celdas Solares.

Abstract This work reports contributions made in the synthesis and study of optical, electrical, morphological and structural properties of thin films of the CsPbBr3 compound grown with Perovskite structure using a route based on sequential evaporation and coevaporation of precursors (CsBr and PbBr2) in high vacuum environment, with the purpose of subsequently using this material as an active layer of solar cells. In the first instance, the reactor was adapted to synthesize CsPbBr3 films, which includes facilities to automatically monitor and control the production process of the samples through an electronic system developed using the Virtual Instrumentation (VI) concept; In particular, this system allows electronic control of the temperature of the evaporation sources of the precursors, as well as the deposition rate of the material on the substrate using PID and PWM algorithms developed with Labview software. The automatic control of the reactor allows to prepare CsPbBr3 films with a high degree of reproducibility both in thickness and its properties.

After automating the reactor, a study was carried out of the effect that the different synthesis parameters (substrate temperature, evaporation rate, annealing of the samples) generate on the structural, morphological, optical and electrical properties of the material grown from the CsBr and PbBr2 precursors deposited sequentially. Through evaluation carried out by X-ray diffraction, it was found that the prepared samples mostly present the CsPbBr3 phase; on the other hand, through the reflectance and transmittance measurements, the absorption coefficient α and the energy gap Eg were determined, whose values are of the order of 104 cm-1 and 2.3 eV, which are suitable for using this material as a field active solar cells. Additionally, the manufactured samples were analyzed using SEM Scanning Electron Microscopy, the results of which showed that these presents a morphology consisting of compact grains and of a size that is larger than 1.5 μm, which guarantees a good electrical transport.

Finally, after optimizing the synthesis parameters of the CsPbBr3 compound, solar cells were manufactured with Au / TiO2 / CsPbBr3 / P3HT / Au architecture, and their performance was evaluated through measurements of characteristic J-V.

Keywords: CsPbBr3 thin films, Perovskites, Physical Vapor Deposition, Optical properties, Solar Cell.