Dimension Dependent Optoelectronic Properties of Cesium Lead Halide Perovskites

Abstract

All-inorganic cesium lead halide perovskites (ILHPs), are gaining wide variety of role as strong contenders due to their extraordinary photovoltaic features in optoelectronic research with tunable band-gap, large absorption cross-section, long carrier lifetime, and high carrier mobility. Most of the initial studies focused on bulk-like perovskite materials, while the rapidly growing colloidal perovskite nanocrystals impress additional interest because of their unique properties. In this thesis, colloidal lead halide perovskite nanocrystals’ optoelectronic properties are investigated and associated with their size and dimensionality. The photoluminescence characteristics of colloidal lead halide perovskite nanocrystals can be tuned by reducing their dimensionality. Thin layer fabrication of CsPbBr3 films which consist of 2D lead halide perovskite nanoplatelets, is achived by a novel coating approach via electrospraying from precursor solution. Electrospraying method represents not only a new and fast perovskite film fabrication but also dimensional tunability by changing the amount of oleylamine which is intercalating agent. Moreover, thicknessdependence of the structural, electronic and vibrational properties of orthorhombic CsPbI3, which is one of the most stable phase at room temperature, is investigated by means of state-of-the-art first-principles calculations. It is also investigated that the electronic band gap increases with decrease in perovskite thickness due to quantum size effect. Lastly, it is investigated that water induced transition to form large bundles of CsPbBr3 nanowires show a a redshifted photoluminescence. Water molecule causes the detachment of ligands from the perovskite surface which leads to form bundles. In summary, this thesis provides an understanding of dimension dependent optoelectronic properties of lead halide perovskite.

Tamamen inorganik sezyum kurşun haloj enür perovskitleri (ILHP’ler), ayarlanabilir bant aralığı, uzun yük taşıyıcı ömrü gibi fotovoltaik özellikleri nedeniyle optoelektronik araştırmalarda güçlü bir rakip olarak geniş bir rol oynamaktadır. Daha önceki çalışmaların çoğu büyük boyutlu perovskit malzemeler üzerine odaklanırken, hızla çeşitliliği artan küçük boyutlu kolloidal perovskit nanokristalleri benzersiz özellikleri nedeniyle ilgi çekmeye başlamıştır. Bu tezde küçük boyutlu kolloidal kurşun halojenür perovskit nanokristallerin büyüklüğüne ve boyutuna bağlı olarak optoelektronik özellikleri araştırılmış. Kolloidal kurşun halojenür perovskite nanokristallerin fotolüminesans özellikleri, boyutlarının azaltılmasıyla ayarlanabilmektedir. Yeni ve kolay elektrosprey sistemi ile 2 boyutlu kurşun halojenür perovskit nano levhalardan olu¸san CsPbBr3 ince tabaka filmler elde edilmiştir. Elektrospreyleme yöntemi sadece yeni ve hızlı bir perovskit film imalatını değil aynı zamanda oleylamin miktarını değiştirerek boyutsal kontrolü de sağlamaktadır. Ayrıca, oda sıcaklığındaki en kararlı fazlardan biri olan ortorombik CsPbI3’ün yapısal, elektronik ve titre¸sim özelliklerinin kalınlığa bağımlılğı, DFT hesaplamaları ile incelenmiştir ve elektronik bant boşluğunun, perovskite kalınlığında, kuantum büyüklüğü etkisinden dolayı azalma ile arttığı da görülmüştür. Son olarak, suyun neden olduğu CsPbBr3 nanotellerinin demetler halini alması ve PL spectrumda kırmızı yönünde kayma gösterdiği incelenmiştir. Bu kaymanın sebebinin, su molekülü perovskit nanotellerin yüzeyine tutunmuş ligantları kopararak, yüzeyleri bo¸s kalan nanotellerin demetler oluşturmasından kaynaklandığı gözlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez, kurşun halojenür perovskitlerin boyuta bağlı optoelektronik özelliklerinin anlaşılmasını sağlamaktadır