Compositional Engineering and Crystallization Dynamics in FA(x)MA(1-x)PbI₃ Perovskite Solar Cells. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Master's Thesis_Ahmed Saadawy Ismail.pdf Restricted to Repository staff only until 17 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُعَدّ الخلايا الشمسية البيروفسكايتية من أكثر تقنيات الخلايا الكهروضوئية الواعدة، نظرًا لقدرتها على توفير مسار عملي لتحويل الطاقة الشمسية بكفاءة عالية وبتكلفة منخفضة. ويعود هذا التميز إلى مجموعة من الخصائص الجذابة، من بينها معامل الامتصاص المرتفع، وإمكانية التصنيع من المحاليل، وانخفاض زمن استرداد الطاقة، وإمكانية ضبط فجوة الطاقة. وقد أظهرت الكفاءات المعتمدة حديثًا، والتي بلغت ٢٧٫٣٪ للخلايا أحادية الوصلة و٣٠٫١٪ للخلايا الترادفية البيروفسكايتية بالكامل، التقدم السريع لهذه التقنية ومكانتها بين أكثر تقنيات الخلايا الكهروضوئية الناشئة تطورًا. ومن بين التراكيب المختلفة للبيروفسكايت، تُعَدّ الأنظمة متعددة الكاتيونات مثل يوديد الرصاص الفورماميدينيوم والميثيل أمونيوم (FAₓMA₁₋ₓPbI₃) ذات أهمية خاصة، لما توفره من تحسين في الكفاءة إلى جانب تعزيز الاستقرار الطوري. تتناول هذه الرسالة تأثيرات هندسة التركيب الكيميائي ودرجة حرارة الطلاء بالدوران على ديناميكيات التبلور والخصائص النهائية لأغشية البيروفسكايت المعتمدة على الفورماميدينيوم. في البداية، تمت دراسة تأثير مزج الفورماميدينيوم والميثيل أمونيوم على البنية والاستجابة البصرية واستقرار أغشية يوديد الرصاص الفورماميدينيوم والميثيل أمونيوم (FAₓMA₁₋ₓPbI₃). وأظهرت النتائج أن إدخال الميثيل أمونيوم إلى يوديد الرصاص الفورماميدينيوم يؤدي إلى تحسين الاستقرار الطوري والخصائص البصرية والأداء العام للأجهزة. بعد ذلك، أُجريت قياسات حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية أثناء التصنيع لدراسة ديناميكيات التبلور لأغشية يوديد الرصاص الفورماميدينيوم (٠٫٥) والميثيل أمونيوم (٠٫٥) (FA₀.₅MA₀.₅PbI₃) ضمن مدى لدرجات حرارة الطلاء بالدوران يتراوح بين ٣٠ و٩٠ درجة مئوية. وكشفت النتائج عن علاقة غير أحادية بين درجة حرارة الطلاء بالدوران وتكوّن الطور ألفا، تتحكم فيها التفاعلات المتبادلة بين الانتشار البيني للمواد الأولية، وبلورية يوديد الرصاص، وكبح الأطوار الثانوية. وعلى وجه الخصوص، أظهرت الأغشية المحضّرة عند ٣٠ درجة مئوية أفضل مسار للتبلور، مما أدى إلى تحسين نقاء الطور، ورفع الجودة البصرية، وتعزيز الأداء الكهروضوئي. وبشكل عام، يوضح هذا العمل أن التحكم المتكامل في تركيب الموقع أ (A) ضمن بيروفسكايتات أ ب إكس٣ (ABX₃) والظروف الحرارية في المراحل المبكرة يُعَدّ أمرًا أساسيًا لتحسين سلوك التبلور وأداء الخلايا الشمسية البيروفسكايتية.

English Abstract

Perovskite solar cells (PSCs) have emerged as one of the most promising photovoltaic technologies because they offer a practical route to efficient and low-cost solar-energy conversion. Their strong potential arises from several attractive properties, including a high absorption coefficient, solution processability, low energy payback time, and a tunable bandgap. Recent certified efficiencies of 27.3% for single-junction devices and 30.1% for all-perovskite tandem cells highlight their rapid progress and position them among the most advanced emerging photovoltaic technologies. Among the wide range of perovskite compositions, mixed-cation systems such as FAₓMA₁₋ₓPbI₃ are particularly attractive because they can provide improved efficiency together with enhanced phase stability. This thesis investigates the effects of compositional engineering and spin-coating temperature on the crystallization dynamics and final properties of FA-based perovskite films. First, the impact of FA/MA mixing on the structure, optical response, and stability of FAₓMA₁₋ₓPbI₃ films was examined. The results show that incorporating MA into FAPbI₃ improves phase stability, optical properties, and overall device performance. Second, in-situ GIWAXS measurements were performed to study the crystallization dynamics of FA₀.₅MA₀.₅PbI₃ films over a spin-coating-temperature range of 30–90 °C. The results reveal a non-monotonic relationship between spin-coating temperature and α-phase formation, governed by the interplay between precursor interdiffusion, PbI₂ crystallinity, and suppression of secondary phases. In particular, films processed at 30 °C showed the most favorable crystallization pathway, leading to improved phase purity, better optical quality, and enhanced photovoltaic performance. Overall, this work demonstrates that the combined control of A-site composition of ABX₃ perovskites and early-stage thermal conditions is essential for optimizing the crystallization behavior and performance of perovskite solar cells.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Maged Abdelsamie,
Thesis Committee Members:	Atif Alzahrani, Tarek Kandiel,
Depositing User:	AHMED SAADAWY ISMAIL (g202392230)
Date Deposited:	18 May 2026 05:37
Last Modified:	18 May 2026 05:37
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144326