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’efficacité de conversion des photons des cellules solaires hybrides à base de pérovskites a augmenté de 6,9% à 23,6% au cours des dernières années. De plus, par rapport aux matériaux photovoltaïques traditionnels (comme par exemple GaAs ou silicium), les perovskites hybrides sont peu coûteuses 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 propriétés 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-réflectivité sur un monocristal de MAPbI3. Nous avons trouvé que, à basse température, l’énergie de liaison de l’exciton et sa masse réduite sont les memes pour tous les échantillons de MAPbI3 indépendamment de la taille des cristallaux. Pour généraliser nos résultats obtenus sur le MAPbI3 à d’autres composés à la structuré de perovskite, nous avons également effectué des mesures de magnétotransmission sur des pérovskites à cation triple de dernière génération, Cs0,05(MA0,17FA0,83)0,95Pb(I0,83Br0,17)3, en couches minces polycristallines avec deux tailles de grains différentes. La masse réduite 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 pérovskites hybrides, indépendamment de la technique de dép^ot de la couche mince et de la morphologie finale.
Enfin, nous avons étudié les propriétés électroniques des pérovskites entièrement 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 pérovskites 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 pérovskites 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.
Mots-cles: perovskites hybrides, photovoltaique, transition de phase, enviergie de liaison de l’exciton, masse efficace |
In recent years, hybrid organic-inorganic perovskite materials have been employed as a light harvester 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, silicon), the hybrid perovskite materials are inexpensive and easy to synthesis. 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 the hybrid perovskite. 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 the 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 size. The reduced mass andbinding energy of excitons in these two samples are identical. Thus, we conclude that microstructure play 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.
Keywords: hybrid perovskites, photovoltaics, phase transition, exciton binding
energy, effective mass |