Investigation of the excitonic properties of hybrid and fully inorganic perovskite using magneto-spectroscopy
Etude des propriétés excitoniques de la perovskite hybride et entiérement inorganique par magnéto-spectroscopie
Résumé
In recent years, hybrid organic-inorganic perovskite materials have
been employed as a light harvesters due to their excellent optical and electronic
properties, such as broad band absorption, long diffusion length, and long carrier
lifetime. The photon conversion efficiency of hybrid perovskite based solar cells has
increased from 6.9% to 23.6% within the last few years. Moreover, compared to
traditional photovoltaic materials (e.g. GaAs, Si), the hybrid perovskite materials
are inexpensive and easy to synthesize.
The aim of this thesis is to investigate the optical and electronic properties of
perovskite materials using magneto-optical techniques. We have investigated the
relationship between the excitonic properties and the microstructure of hybrid
perovskites. We have performed magneto-transmission measurement on MAPbI3
polycrystalline thin films and magneto-reflectivity measurement on a MAPbI3
single crystal. We find that, at low temperature, the exciton binding energy and
reduced mass are the same for all MAPbI3 samples with a variety of crystal grain
sizes. To generalize our finding for MAPbI3 to other perovskite compositions,
we also performed magneto transmission measurement on state of the art triple
cation perovskites Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 polycrystalline thin
films with two considerably different crystal grain sizes. The reduced mass and
binding energy of excitons in these two samples are identical. Thus, we conclude
that the microstructure plays a negligible role in the exciton properties of hybrid
perovskites, regardless of the thin film deposition technique and final morphology.
Finally, we have investigated the electronic properties of the fully inorganic
perovskites, namely CsPbX3 compounds (X = I or Br or a mixture of those). We
have performed temperature dependent transmission and magneto transmission
measurements on a range of CsPbX3 compounds. The temperature dependent
measurement of all the Cs based perovskites shows a continuous increase of the
band gap energy with the increasing temperature, indicating that CsPbX3 does
not undergo a structural phase transition in the temperature range from 4K to
270K. By performing the magneto-transmission measurement on CsPbX3, we have
determined the exciton binding energies and reduced mass with high accuracy.
A comparison of the values of dielectric constant for the fully inorganic and the
hybrid organic-inorganic perovskites indicates that, at low temperature when the
organic cations are frozen, the dominant contribution to the dielectric screening is
related to the relative motion within the lead halide cage.
Au cours des dernières années, les perovskites hybrides organiques-inorganiques
ont été employées en tant qu'absorbeurs de lumière, en raison de
leures excellentes propriétés optiques et électroniques, comme par exemple une
absorption sur une large bande spectrale, une grande longueur de diffusion et
longue durée de vie des porteurs de charge photo-excités. L'effcacité de conversion
des photons des cellules solaires hybrides à base de perovskites a augmenté de
6,9% a 23,6% au cours des dernières années. De plus, par rapport aux matériaux
photovoltaiques traditionnels (comme par exemple le GaAs ou le silicium), les
perovskites hybrides sont peu couteuses et faciles à synthétiser.
Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés optiques et électroniques des
perovskites à l'aide de spectroscopie magnéto-optique. Nous avons étudié la
relation entre les propriéetés excitoniques et la microstructure des perovskites hybrides.
Nous avons effectué des mesures de magnéto-transmission sur des couches
minces polycristallines de MAPbI3 et des mesures de magnéto-reflectivité sur un
monocristal de MAPbI3. Nous avons monté que, à basse temperature, l'energie de
liaison de l'exciton et sa masse reduite sont les memes pour tous les échantillons de
MAPbI3 independamment de la taille des cristaux. Pour généraliser nos résultats
obtenus sur le MAPbI3 à d'autres composés ayant une structure de perovskite, nous
avons également effectué des mesures de magnétotransmission sur des perovskites
à cation triple de dernière génération, Cs0.05(MA.0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3,
en couches minces polycristallines avec deux tailles de grains differentes. La
masse réeduite et l'énergie de liaison des excitons dans ces deux échantillons sont
identiques. Ainsi, nous concluons que la microstructure joue un role négligeable
dans les propriétés excitoniques des perovskites hybrides, independamment de la
technique de depot de la couche mince et de la morphologie finale.
Enfin, nous avons étudié les propriétés électroniques des peerovskites entiérement
inorganiques, à savoir les composés CsPbX3 (X = I ou Br ou un mélange de
ceux-ci). Nous avons effectué des mesures de transmission en fonction de la
température et de magnétotransmission sur une gamme de composés CsPbX3.
Les mesures en fonction de la température de toutes les perovskites à base de
Cs montre une augmentation monotonique de l'énergie de bande interdite avec
la température, ce qui indique que ces composés ne subissent pas de transition
de phase structurale dans la plage de température de 4K à 270K. En effectuant
des mesures de magnéto-transmission sur CsPbX3, nous avons déterminé les
énergies de liaison de l'exciton et la masse réduite avec une grande précision. Une
comparaison des valeurs de constante diélectrique des perovskites inorganiques et
inorganiques montre que, à basse température lorsque les mouvements des cations
organiques sont interdits, la contribution dominante à l'écrantage diélectrique est
liée au mouvement relatif dans la cage à base de halogénures de plomb.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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