Characterization of in-gap electronic states in two-dimensional single crystal PEA2PbBr4 perovskite for X-ray detection

Hybrid Organic-Inorganic Halide Perovskites (HOIPs) include a large class of materials described with the general formula ABX3, where A is an organic cation, B an inorganic cation and X an halide anion. HOIPs show excellent optoelectronic characteristics such as tunable band gap, high adsorption coefficient and great mobility life-time. A subclass of these materials, the so-called two- dimensional (2D) layered HOIPs, have emerged as potential alternatives to traditional 3D analogs to enhance the stability and increase performance of perovskite devices, with particular regard in the area of ionizing radiation detectors, where these materials have reached truly remarkable milestones. One of the key challenges for future development of efficient and stable 2D perovskite X-ray detector is a complete understanding of the nature of defects that lead to the formation of deep states. Deep states act as non-radiative recombination centers for charge carriers and are one of the factors that most hinder the development of efficient 2D HOIPs-based X-ray detectors. In this work, deep states in PEA2PbBr4 were studied through Photo-Induced Current Transient Spectroscopy (PICTS), a highly sensitive spectroscopic technique capable of detecting the presence of deep states in highly resistive ohmic materials, and characterizing their activation energy, capture cross section and, under stringent conditions, the concentration of these states. The evolution of deep states in PEA 2 PbBr 4 was evaluated after exposure of the material to high doses of ionizing radiation and during aging (one year). The data obtained allowed us to evaluate the contribution of ion migration in PEA2PbBr4. This work represents an important starting point for a better understanding of transport and recombination phenomena in 2D perovskites. To date, the PICTS technique applied to 2D perovskites has not yet been reported in the scientific literature.

Studio, microfabbricazione e caratterizzazione di dispositivi in silicio deformato per applicazioni opto-elettroniche

Il silicio, materiale di base per la realizzazione di gran parte dei dispositivi microelettronici, non trova largo impiego in fotonica principalmente a causa delle sue proprietà elettromagnetiche: oltre ad un band-gap indiretto, il silicio presenta difatti una elevata simmetria reticolare che non permette la presenza di alcuni effetti, come quello elettro-ottico, che sono invece utilmente sfruttati in altri materiali per la fotonica. E’ stato recentemente dimostrato che la deformazione indotta dalla deposizione di film ad alto stress intrinseco potrebbe indurre alcuni di questi effetti, rompendo le simmetrie della struttura. In questo lavoro di tesi viene studiata, mediante simulazioni, microfabbricazione di dispositivi, e caratterizzazione sperimentale, la deformazione reticolare indotta su strutture di tipo ridge micrometriche in silicio mediante deposizione di un film di Si3N4. La deformazione e’ stata analizzata tramite simulazione, utilizzando il metodo agli elementi finiti ed analisi di strain tramite la tecnica di microscopia ottica a trasmissione Convergent-Beam Electron Diffraction. Questa tecnica permette di ottenere delle mappe 2D di strain con risoluzione spaziale micrometrica e sensibilita’ dell’ordine di 100microstrain. Il confronto fra le simulazioni e le misure ha messo in evidenza un accordo quantitativo fra le due analisi, da una parte confermando la validità del modello numerico utilizzato e dall’altro verificando l’accuratezza della tecnica di misura, impiegata innovativamente su strutture di questo tipo. Si sono inoltre stimate le grandezze ottiche: birifrangenza e variazione dell’indice di rifrazione efficace rispetto al caso deformato.di una guida SOI su cui e’ deposto uno strato di nituro. I valori stimati, per uno spessore di 350 nm sono rispettivamente di 0.014 e -0.00475. Questi valori lasciano credere che la tecnologia sia promettente, e che un’evoluzione nei processi di fabbricazione in grado migliorare il controllo delle deformazione potrebbe aprire la strada ad un utilizzo del silicio deformato nella realizzazione di dispositivi ottici ed elettro-ottici.

Misure di trasmittanza ottica di nanoparticelle di Ti(1-x)V(x)O(2)

Negli ultimi tempi sta assumendo grande importanza la ricerca sulla produzione di idrogeno dall’acqua tramite celle foto-elettrolitiche. In questa tesi vengono descritte le analisi condotte su un materiale che può essere coinvolto in questa applicazione: il TiO2 drogato con atomi di V. In particolare è stato valutato l’effetto del drogaggio sull’energy gap tramite misure di trasmittanza ottica effettuate in laboratorio su campioni con diverse concentrazioni di V e trattati termicamente a varie temperature. Nel primo capitolo vengono descritte le caratteristiche dei semiconduttori legate all’ottica, soffermandosi in particolare sul TiO2. Nel secondo capitolo sono illustrati l’apparato e il metodo sperimentale; viene inoltre fornita una descrizione dettagliata dei campioni analizzati. Nel terzo capitolo vengono esposti i risultati delle analisi dei dati.

Morphological and optical properties of SiON thin films for photovoltaic applications

In the last years technologies related to photovoltaic energy have rapidly developed and the interest on renewable energy power source substantially increased. In particular, cost reduction and appropriate feed-in tariff contributed to the increase of photovoltaic installation, especially in Germany and Italy. However, for several technologies, the observed experimental efficiency of solar cells is still far from the theoretical maximum efficiency, and thus there is still room for improvement. In this framework the research and development of new materials and new solar devices is mandatory. In this thesis the morphological and optical properties of thin films of nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiON) have been investigated. This material has been studied in view of its application in Si based heterojunction solar cells (HIT). Actually, a-Si:H is used now in these cells as emitter layer. Amorphous SiO_x N_y has already shown excellent properties, such as: electrical conductivity, optical energy gap and transmittance higher than the ones of a-Si:H. Nc-SiO_x N_y has never been investigated up to now, but its properties can surpass the ones of amorphous SiON. The films of nc-SiON have been deposited at the University of Konstanz (Germany). The properties of these films have been studied using of atomic force microscopy and optical spectroscopy methods. This material is highly complex as it is made by different coexisting phases. The main purpose of this thesis is the development of methods for the analyses of morphological and optical properties of nc-SiON and the study of the reliability of those methods to the measurement of the characteristics of these silicon films. The collected data will be used to understand the evolution of the properties of nc-SiON, as a function of the deposition parameters. The results here obtained show that nc-SiON films have better properties with respect to both a-Si:H and a-SiON, i. e. higher optical band-gap and transmittance. In addition, the analysis of the variation of the observed properties as a function of the deposition parameters allows for the optimization of deposition conditions for obtaining optimal efficiency of a HIT cell with SiON layer.

Fotocatalizzatori di seconda generazione: sintesi e indagine strutturale su nanoparticelle di Ti1-xVxO2

Il TiO2 è probabilmente il fotocatalizzatore maggiormente studiato in letteratura a partire già dagli anni settanta. Le applicazioni più rilevanti dei dispositivi fotocatalitici sono in campo ambientale (depurazione delle acque da inquinanti quali coloranti, microbatteri e residui metallici) e nella produzione di "solar fuel" (combustibili solari), fra questi l'idrogeno. L'idrogeno come vettore energetico è eco-compatibile e può essere utilizzato come carburante il cui prodotto di scarto è vapor d'acqua. Il biossido di titanio è uno dei materiali più promettenti per la costruzione di celle fotocatalitiche, grazie alla sua biocompatibilità e resistenza alla corrosione in ambiente acquoso. Il limite principale di questo materiale è legato allo scarso assorbimento nel visibile dovuto al band gap troppo elevato (circa 3.2 eV). Fra le varie strategie per superare questo problema, è stato mostrato che opportuni droganti permettono di incrementare la "Visible Light Activity", portando ai cosiddetti fotocatalizzatori di 2a generazione. I droganti più promettenti sono il vanadio e l'azoto che possono essere utilizzati singolarmente o in co-doping. L'inserimento di questi materiali nella matrice di TiO2 porta a un notevole miglioramento dei dispositivi abbassando il valore di band gap e permettendo un maggiore assorbimento nello spettro solare. Scopo di questa tesi è lo studio dei processi di crescita di film nanoparticellari di TiO2 drogato con vanadio. La tecnica di crescita usata è la Condensazione in Gas Inerte (IGC), mentre per l'indagine di morfologia e composizione ci si è serviti della microscopia elettronica. Con l'ausilio della diffrazione di raggi X è stato possibile controllare lo stato di cristallizzazione e determinare a quali temperature di trattamento in atmosfera ossidante avviene quest'ultima. Tramite le misure micro-Raman effettuate presso i laboratori dell'Università di Trento è stato possibile monitorare l'andamento della cristallizzazione di campioni depositati con parametri di evaporazione differenti (presenza di ossigeno o meno nell'atmosfera di evaporazione), evidenziando un maggior controllo sulla fase cristallina ottenuta per i campioni cresciuti in atmosfera ricca di ossigeno. Sono state effettuate analisi strutturali avanzate presso i laboratori ESRF di Grenoble, dove sono state portate avanti misure di assorbimento di raggi X di tipo EXAFS e XANES sulla soglia del titanio e del vanadio, evidenziando il carattere sostituzionale del vanadio all'interno della matrice di TiO2 e le diverse fasi di cristallizzazione.

Efficiency limits for silicon/perovskite tandem solar cells: a theoretical model

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

Materiali ceramici a struttura Aurivillius per la produzione di solar fuels

Solar fuels from CO2 is a topic of current large scientific and industrial interest. In particular, photo-electrochemical cells (PECs) represent today one of the most promising technology for storing sun energy as chemical bonds exploiting carbon dioxide as starting reagent. In this thesis, the possibility of using Aurivillius-type compounds for the production of solar fuels was deeply investigated. Aurivillius-type perovskites, with general formula Bi(n+1)Fe(n-3)Ti3O(3n+3), were synthesized and fully characterized to study the influence of the number of perovskite layers as well as of the synthesis parameters onto their final properties. In particular, 8 different systems were considered increasing the amount of iron and, as a consequence, the number of perovskite layers. These compounds were synthesized through a standard solid-state reaction method as well as via a sol-gel technique and characterized by XRD, SEM and BET analyses. The band gap value and the photocatalytic activity towards Rhodamine B decomposition were assessed as well. For each system, a screen-printing ink was formulated to be deposited as photo-electrodes onto transparent conducting supports. The photo-electrodes were morphologically characterized by XRD and SEM analysis, and their electrochemical properties (cyclic and linear voltammetry, EIS, Mott-Schottky analysis) were determined. Finally, the most promising materials were tested as photo-cathode inside PEC cell under different illumination conditions, to quantify their ability to convert CO2. The obtained results show the potentiality of Aurivillius-type compounds as innovative material for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

Defect states in MAPbBr3 by photo-induced current transient spectroscopy

In the past decade, perovskites have been under the spotlight as promising semicon- ductors with unique properties. Hybrid halide perovskites show excellent characteristic properties suitable for optoelectronic applications as tunable band gap, high absorption coefficient, large mobility and long carrier recombination lifetime. However, a complete understanding of environmental instability and the nature of defects in these materials is still lacking, hindering the development of perovskite-based technologies. In this work we studied MAPbBr3 single crystals, fabricated with Inverse Temperature Crystallization (ITC) technique, with Photo-Induced Current Transient Spectroscopy (PICTS). PICTS is a transient photocurrent measurement rarely employed for studying perovskites mate- rials, that allows for the defects characterization in high resistivity materials. We studied the samples under different conditions, such as negative and positive voltage biases, bias stress, different contact geometries and different illumination wavelengths, in order to study their effect on the material physical properties and to evaluate the trap activation energies and their behavior under different working conditions.

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.