Síntese e propriedades elétricas de perovskitas de iodeto de chumbo e metilamônio

Abstract

Nos últimos anos, grande atenção tem sido dada ao desenvolvimento de células solares com o iodeto de chumbo e metilamônio (MAPbI3) em virtude de suas excelentes propriedades fotovoltaicas. Apesar de altas eficiências de conversão de energia terem sido atingidas com essas células, a síntese desse material e algumas de suas características elétricas permanecem em estudo. No presente trabalho, mostrou-se que a síntese desse material na forma de filmes finos via spin-coating deve ser executada preferencialmente com soluções precursoras de dimetilsulfóxido depositadas sobre platina, com maiores tempos e temperaturas de secagem e aumento da taxa de remoção do solvente. Por sua vez, pastilhas de MAPbI3 tiveram condições ótimas de sinterização a 120°C por 2h. O material foi caracterizado em termos de suas propriedades elétricas por meio da espectroscopia de impedância, com tensões de frequências na faixa de 300 Hz a 1 MHz e temperaturas no intervalo entre 100 e 430K, tendo sido observada uma histerese entre o aquecimento e o resfriamento nos comportamentos da permissividade elétrica, impedância, módulo elétrico e condutividade elétrica, que se mostraram sensíveis à temperatura e às frequências da tensão de teste. Ainda, foram observadas alterações dessas propriedades elétricas associadas às transições de fase, cujas temperaturas em que ocorrem se mostraram independentes da frequência da tensão. A fim de separar os efeitos diferenciados dos grãos e contornos de grão nas propriedades elétricas do MAPbI3, propôs-se um circuito equivalente que se mostrou eficiente para descrever o comportamento experimental do módulo elétrico e da impedância em função da frequência para temperaturas entre 300 e 430K. Os resultados indicam que a permissividade elétrica do MAPbI3 é dominada pela permissividade dos contornos de grão, enquanto a condutividade é comandada pelos contornos de grão sobretudo em baixas frequências, sendo que, em altas frequências, a influência dos grãos passa apresentar maior relevância. Os grãos têm permissividades e condutividades muito superiores às dos contornos de grão, nos quais se observou três processos relacionados à condutividade, com energias de ativação da ordem de 109, 205 e 330 meV, que correspondem às energias de ativação da amostra observadas para a amostra de MAPbI3 estudada. Nos grãos, notou-se um processo independente da temperatura e outro com energia de ativação de aproximadamente 95 meV.

In recent years, great attention has been paid to the manufacture of solar cells with methylammonium lead iodide (MAPbI3) due to its excellent photovoltaic properties. Although high energy conversion efficiencies have been achieved with these cells, the synthesis of this material and some of its electrical characteristics remain under study. In the present research, it was shown that the synthesis of this material in the form of spin-coating thin films should be performed preferably with dimethylsulfoxide precursor solutions deposited over platinum surfaces, with higher drying times and temperatures and increasing the solvent removal rate. In turn, MAPbI3 pellets had optimum sintering conditions at 120°C for 2h. The material was characterized in terms of it’s electrical properties by impedance spectroscopy, with frequency voltages in the range of 300 Hz to 1 MHz and temperatures in the range 100 to 430K, and a hysteresis between heating and cooling was observed on permissivity, impedance, electrical modulus and conductivity behaviors, which were sensitive to temperature and applied voltage frequencies. In addition, changes in these electrical properties associated with phase transitions were observed, whose temperatures at which they occurred were independent of the voltage frequency. In order to separate the differentiated effects of grains and grain boundaries on the electrical properties of MAPbI3, an equivalent circuit was proposed that was efficient to describe the experimental behavior of the frequency-dependent electrical modulus and impedance for temperatures between 300 and 430K. The results indicate that MAPbI3 permittivity is dominated by the grain boundaries, while conductivity is controlled by grain boundaries especially at low frequencies, and at high frequencies the influence of grains becomes more relevant. Grains have much higher permissivities and conductivities than grain boundaries, in which three processes related to conductivity were observed, with activation energies of the order of 109, 205 and 330 meV, which correspond to the activation energies observed for the studied MAPbI3 sample. In grains, it was observed one process independent on temperature and another one with activation energy of approximately 95 meV.