Engineering Crystal Structure, Micro-Structure and Optoelectronic Properties in MAPb(IxBr1-x)3 Perovskite Solar Cells. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Report_M . Umer Muzammil.pdf Restricted to Repository staff only until 26 January 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

تُعدّ الخلايا الكهروضوئية الشمسية أساسيةً لإزالة الكربون من توليد الكهرباء، إلا أن قابلية التوسع في إنتاج خلايا البيروفسكايت تُعَدّ الخلايا الشمسية الكهروضوئية عنصرًا محوريًا في إزالة الكربون من توليد الكهرباء، غير أن قابلية التوسّع في الخلايا الشمسية البيروفسكايتية الهجينة ما تزال محدودة بسبب التدهور الناتج عن الرطوبة، إضافةً إلى خسائر الأداء المرتبطة بالتبلور غير المنضبط، والعيوب البنيوية المجهرية، وإعادة اتحاد حوامل الشحنة. تستقصي هذه الرسالة كيف تتحكم هندسة التركيب الكيميائي من حيث نسبة اليود إلى البروم، وهندسة المذيب بصورة متكاملة في ديناميكيات التبلور المعتمدة على الزمن، والبنية المجهرية، والاستجابة البصرية الإلكترونية، وسلوك الأجهزة لأغشية بيروفسكايت مختلطة الهاليد من ميثيل أمونيوم رصاص يوديد–بروميد. تم تحضير طبقات البيروفسكايت عبر مجال تركيبي يمتد من التركيب الغني باليود إلى التركيب الغني بالبروم باستخدام نظامي مذيبات، أحدهما قائم على ثنائي ميثيل فورماميد فقط، والآخر مزيج من ثنائي ميثيل فورماميد وثنائي ميثيل سلفوكسيد بنسبة أربعة إلى واحد، وذلك مع وبدون استخدام الإخماد بمذيب مانع من نوع كلوروبنزين. جرى تتبع تطور الأطوار الوسيطة، وتكوّن البيروفسكايت، وتطور النسيج البلوري باستخدام حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية عند السقوط المماسي في الزمن الحقيقي، مع استكمال ذلك بقياسات الامتصاص الطيفي، والتصوير البصري تحت التعرض لرطوبة الهواء المحيط، والمجهر الإلكتروني الماسح، وقياسات كثافة التيار مقابل الجهد لأجهزة مستوية من نوع ناقل إلكترونات–طبقة فعالة–ناقل ثقوب. أظهرت قياسات الحيود في الزمن الحقيقي أن كيمياء تنسيق المذيب ونسبة الهاليد تفرضان مسارات تبلور مختلفة. ففي حالة المذيب الأحادي، تبلور مركب اليوديد عبر طور وسيط مرتبط بالمذيب تحوّل بشكل أساسي أثناء المعالجة الحرارية، في حين تكوّن مركب البروميد بسرعة وبصورة مباشرة أثناء الطلاء الدوراني. أما الأغشية المختلطة فقد أظهرت نوى تبلور مبكرة غنية بالبروم، مصحوبة بعدم تجانس تركيبي مؤقت يتجانس لاحقًا عند التلدين. أدى إدخال ثنائي ميثيل سلفوكسيد إلى تثبيت الطور الوسيط المرتبط به، وإبطاء التحول من الحبر إلى الحالة الصلبة، وزيادة حدة قمم الحيود، وتحسين الانتظام الاتجاهي مقارنة بالمعالجة بالمذيب الأحادي. ومن بين التركيبات المعالجة بالمزيج المزدوج، أظهرت التركيبات الواقعة في المجال المتوسط بين الثلث ونصف المحتوى اليودي أضيق عرض زاوي بانتظام. كما أدى الإخماد بالمذيب المانع إلى تسريع تكوّن البيروفسكايت أثناء الطلاء وتقليص الفترة الزمنية لظهور السمات المنفصلة، مع إظهار هذا المجال التركيبي أفضل توازن بين الحدة البلورية والتوجّه النسيجي الواضح. أكدت قياسات الامتصاص الطيفي قابلية ضبط فجوة الطاقة، حيث انتقلت حافة الامتصاص تدريجيًا من المجال القريب من تحت الأحمر في التركيبات الغنية باليود إلى المجال المرئي في التركيبات الغنية بالبروم. كما أظهرت دراسات التعرض للرطوبة تباطؤًا ملحوظًا في التدهور البصري للأغشية المعالجة بثنائي ميثيل سلفوكسيد مقارنة بالأغشية المعالجة بالمذيب الأحادي، مما يعكس تحسنًا في جودة الأغشية. ودعمت صور المجهر الإلكتروني الماسح هذه النتائج، حيث ظهرت مورفولوجيات غير متصلة وغنية بالعيوب في التركيبات سريعة التبلور، مقابل أغشية أكثر استمرارية وأقل ثقوبًا في العينات المعالجة بالمذيب المزدوج، لا سيما ضمن المجال التركيبي المتوسط. أظهرت اختبارات الأجهزة للأغشية المعالجة بالمذيب المزدوج مع الإخماد المانع علاقة غير خطية بين التركيب والأداء، حيث تحققت أعلى كفاءة عند التركيب الوسطي القريب من النصف، بينما عانت التركيبات الطرفية الغنية باليود أو البروم من خسائر ناتجة عن ضعف التغطية وحدوث قصر كهربائي. بصورة عامة، تُظهر هذه الرسالة أن تحقيق خلايا شمسية بيروفسكايتية مختلطة الهاليد ذات كفاءة أعلى واستقرار أفضل يتطلب تحسينًا متزامنًا لنسبة الهاليد، وكيمياء تنسيق المذيب، وحركيات الإخماد بالمذيب المانع، وذلك من أجل ضبط عملية التبلور، وتقليل العيوب، وتحقيق توازن فعّال بين الامتصاص والاستقرار.

English Abstract

Solar photovoltaics are central to decarbonizing electricity generation, yet the scalability of hybrid perovskite solar cells (PSCs) remains constrained by moisture driven degradation and performance losses associated with uncontrolled crystallization, microstructural defects, and carrier recombination. This thesis investigates how composition engineering (I/Br ratio) and solvent engineering jointly control the time-resolved crystallization dynamics, microstructure, optoelectronic response, and device behavior of mixed-halide MAPb(IxBr1-x)3 thin films. Perovskite layers spanning across x = 1 to 0 were fabricated using DMF and 4:1 DMF/DMSO solvent systems, with and without chlorobenzene anti-solvent quenching. The evolution of intermediate phases, perovskite formation, and texture development was tracked using in situ grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) and further complemented by UV-Vis absorption spectroscopy, optical imaging under ambient-humidity exposure, scanning electron microscopy (SEM), and current density-voltage (J-V) characterization of planar n-i-p PSCs. In-situ GIWAXS revealed that solvent coordination chemistry and halide ratio dictate distinct crystallization routes. In DMF, MAPbI3 crystallized via a DMF-intermediate ((MA)2Pb3I8.2DMF) that converted predominantly during annealing, whereas MAPbBr3 formed rapidly and directly during spin coating. Mixed-halide films showed Br-rich early nucleation, with transient compositional heterogeneity that is homogenized upon annealing. Introducing DMSO stabilized the DMSO-derived intermediate ((MA)2Pb3 I8.2DMSO), slowed the ink-to-solid conversion, sharpened the diffraction features, and improved orientational order relative to DMF-only processing. Among the DMF/DMSO-processed compositions, x ≈ 0.33-0.5 consistently exhibited the narrowest azimuthal width. Anti-solvent quenching accelerated perovskite formation during spin casting and shortened the time window for segregated features in mixed-halide films with x ≈ 0.33-0.5, showing the most favorable combination of sharp reflections and pronounced texture. UV-Vis spectroscopy confirmed bandgap tunability (absorption edge shifting from ~788 nm at x = 1 to ~550 nm at x = 0), while humidity exposure studies indicated slower optical degradation for DMSO-mediated films compared to DMF, with improved film quality. SEM supported these trends, showing discontinuous, defect-prone morphologies in rapidly crystallizing compositions and improved continuity and reduced pinholes in DMF/DMSO-derived films, particularly near x ≈ 0.33-0.5. Device testing of anti-solvent-assisted DMF/DMSO films showed a non-linear composition performance relationship, with the highest efficiency achieved at x ≈ 0.50 (PCE 7.16%, Jsc = 12.50 mA cm⁻², Voc = 0.98 V, FF = 0.58), while end-member compositions (x = 1 and 0) were limited by coverage-related shunting. Overall, the thesis demonstrates that efficient and more stable mixed-halide MAPb(IxBr1-x)3 PSCs require coordinated optimization of halide ratio, solvent coordination, and anti-solvent quench kinetics to regulate crystallization, suppress defects, and balance absorption with stability.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Physics
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Abdelsamie, Maged
Committee Members:	Kandiel, Tarek Abdelsamad Abdelrahman and AlZahrani, Atif Saeed Misfer
Depositing User:	MUHAMMAD MUZAMMIL (g202215880)
Date Deposited:	26 Jan 2026 12:15
Last Modified:	26 Jan 2026 12:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144056