Optical characterization and bandgap engineering of flat and wrinkle-textured FA0.83 Cs0.17 Pb(I1 − xBrx)3 perovskite thin films

Abstract

Los índices de refracción complejos de películas delgadas de perovskitas de haluros mixtos de formamidinio-cesio de plomo (FA0.83Cs0.17Pb(I1 − xBrx)3), con composiciones variando de x = 0 a 0.4, y para topografías planas y de textura rugosa, son reportadas. Las películas se caracterizan por medio de una combinación de elipsometría espectral de ángulo variable y transmitancia espectral en el rango de longitudes de onda de 190 nm a 850 nm. Las constantes ópticas, espesores de las películas y las capas de microrugosidad, son determinadas con un método “punto a punto”, minimizando una función de error global, sin hacer uso de modelos de dispersión, e incluyendo información topográfica proporcionada por un microscopio con focal láser. Para evaluar el potencial de ingeniería del ancho de banda del material, sus anchos de banda y energías de Urbach son determinadas con exactitud haciendo uso de un modelo de fluctuaciones de banda para semiconductores directos. Este considera las colas de Urbach y la región de absorción banda a banda fundamental en una sola ecuación. Con esta información, la composición que brindaría el ancho de banda óptimo de 1.75 eV para una celda solar tándem Siperovskita es determinada.

The complex refractive indices of formamidinium cesium lead mixed-halide (FA0.83Cs0.17Pb(I1 − xBrx)3) perovskite thin films of compositions ranging from x = 0 to 0.4, with both flat and wrinkle-textured surface topographies, are reported. Films are characterized using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry and spectral transmittance in the wavelength range of 190 nm to 850 nm. Optical constants, film thicknesses and roughness layers are obtained point-by-point by minimizing a global error function, without using optical dispersion models, and including topographical information supplied by a laser confocal microscope. To evaluate the bandgap engineering potential of the material, the optical bandgaps and Urbach energies are then accurately determined by applying a band fluctuations model for direct semiconductors, which considers both the Urbach tail and the fundamental band-to-band absorption region in a single equation. With this information, the composition yielding the optimum bandgap of 1.75 eV for a Si-perovskite tandem solar cell is determined.