Celle solari a base di perovskiti con Stagno (Sn)

This thesis work mainly focuses on the description and application of perovskite materials to photovoltaic panels, an increasingly emerging technology in the field of renewable energy. Perovskites presenting now best performances in technological applications (LED, solar cells, transistors) are based on lead and they reach a quantum yield about 90-95%, due to a mechanism of radiative recombination of hole-electron couples. The aim of the scientific research is replacing lead with non-toxic cations such as tin and reaching comparable performances, a result not yet obtained. The difficulty in working with bivalent tin is its tendency to oxidation when it is exposed to the air, so the work was conducted in glove box under N2. The classical perovskites have generical stoichiometry ABX3 where A is a bivalent cation and B is a tetravalent cation if X is oxygen or A is a monovalent cation and B a bivalent cation if X is a halogen. The elementary cell is described by a primitive cubic structure in which A is at the center of the cube, B occupies the corners and X is localized in the middle of the edges. There are totally inorganic perovskites and others called hybrid. Hybrid organic-inorganic perovskites are recognized as excellent absorber materials for solar cells, by virtue of their modulable band gap, which covers the region from visible to near-IR. In addition, they are also characterized by a high absorption coefficient. However, in addition to their light absorbing properties, these materials show excellent potential as light emitting devices or in lasers. Hybrid organic-inorganic perovskites, especially methylammonium lead triiodide (MAPbI3), are intensely studied for their optoelectronic properties. The organic MA+ cation is held responsible for the superior performance of MAPbI3 but also its instability toward moisture and heat. To explore compositions beyond MAPbI3, we performed experiments and calculations on two isomorphous perovskites CsSnBr3 and MASnBr3. CsSnBr3 is slightly smaller than MASnBr3 in cell dimension indeed the ionic radius of MA + (r = 1.8 c) exceeds that of Cs + (r = 1.7 c), the largest cation of all nonradioactive. CsSnBr3 outperforms MASnBr3 in band gap energy, charge-carrier reduced effective mass, and optical dielectric constant all by & 19%. These accumulate to drastically cut the exciton binding energy from 33 meV for MASnBr3 to 19.6 meV for CsSnBr3, making CsSnBr3 a black, free-carrier semiconductor. CsSnBr3 also exhibits distinctly higher stability toward moisture and heat than its organic counterparts. These advantages suggest ecofriendly applications for CsSnBr3, such as tandem solar cells and direct X-ray detectors. My master's thesis work was focused on the synthesis and characterization of all inorganic perovskite CsSnBr3 by analyzing its performance under different conditions of humidity and temperature, unfortunately due to the Covid-19 pandemic my internship ended earlier than expected and I failed to obtain any significant results . Therefore, I integrated my project with this thesis work which focuses on the thermal stability and optoelectronic characteristics of CsSnBr3.

Questo lavoro di tesi si concentra principalmente sulla descrizione e l'applicazione dei materiali perovskite ai pannelli fotovoltaici, una tecnologia sempre più emergente nel campo delle energie rinnovabili. Le perovskiti che presentano ora le migliori prestazioni nelle applicazioni tecnologiche (LED, celle solari, transistor) sono a base di piombo e raggiungono una resa quantica intorno al 90-95%, grazie ad un meccanismo di ricombinazione radiativa delle coppie buco-elettrone. Scopo della ricerca scientifica è sostituire il piombo con cationi atossici come lo stagno e raggiungere prestazioni comparabili, risultato non ancora ottenuto. La difficoltà nel lavorare con lo stagno bivalente è la sua tendenza all'ossidazione quando è esposto all'aria, quindi il lavoro è stato condotto in glove box sotto N2. Le perovskiti classiche hanno una stechiometria generica ABX3 dove A è un catione bivalente e B è un catione tetravalente se X è ossigeno o A è un catione monovalente e B un catione bivalente se X è un alogeno. La cella elementare è descritta da una primitiva struttura cubica in cui A è al centro del cubo, B occupa gli angoli e X è localizzata al centro dei bordi. Esistono perovskiti totalmente inorganiche e altre chiamate ibride. Le perovskiti ibride organico-inorganiche sono riconosciute come eccellenti materiali assorbitori per celle solari, in virtù del loro intervallo di banda modulabile, che copre la regione dal visibile al vicino IR. Inoltre, sono anche caratterizzati da un elevato coefficiente di assorbimento. Tuttavia, oltre alle loro proprietà di assorbimento della luce, questi materiali mostrano un eccellente potenziale come dispositivi che emettono luce o nei laser. Le perovskiti ibride organiche-inorganiche, in particolare il metilammonio e il triioduro di piombo (MAPbI3), sono studiate intensamente per le loro proprietà optoelettroniche. Il catione organico MA + è ritenuto responsabile delle prestazioni superiori di MAPbI3 ma anche della sua instabilità verso l'umidità e il calore. Per esplorare le composizioni oltre MAPbI3, abbiamo eseguito esperimenti e calcoli su due perovskiti isomorfe CsSnBr3 e MASnBr3. CsSnBr3 è leggermente più piccolo di MASnBr3 nella dimensione delle cellule, infatti il ​​raggio ionico di MA + (r = 1.8 c) supera quello di Cs + (r = 1.7 c), il più grande catione di tutti i non radioattivi. CsSnBr3 supera MASnBr3 in termini di energia band gap, massa effettiva ridotta del portatore di carica e costante dielettrica ottica del & 19%. Questi si accumulano per tagliare drasticamente l'energia di legame dell'eccitone da 33 meV per MASnBr3 a 19,6 meV per CsSnBr3, rendendo CsSnBr3 un semiconduttore nero a portante libero. CsSnBr3 mostra anche una stabilità decisamente maggiore verso l'umidità e il calore rispetto alle sue controparti organiche. Questi vantaggi suggeriscono applicazioni ecocompatibili per CsSnBr3, come celle solari tandem e rilevatori di raggi X diretti. Il mio lavoro di tesi magistrale è stato incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di tutta la perovskite inorganica CsSnBr3 analizzandone le prestazioni in diverse condizioni di umidità e temperatura, purtroppo a causa della pandemia di Covid-19 il mio stage si è concluso prima del previsto e non sono riuscito ad ottenere risultati significativi . Pertanto, ho integrato il mio progetto con questo lavoro di tesi che si concentra sulla stabilità termica e sulle caratteristiche optoelettroniche di CsSnBr3.