Разработка и исследование гибридных оптоэлектронных структур на основе перовскитов галогенидных соединений, полимерных и полупроводниковых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Баева Мария Григорьевна

• Баева Мария Григорьевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Баева Мария Григорьевна

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПЕРОВСКИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ

1.1 Галогенидные перовскитные материалы

1.1.a Кристаллическая структура и химический состав

галогенидных перовскитов

1.1.b Зонная структура галогенидных перовскитов

1.1.c Устойчивость к дефектам

1.1.d Регулируемость ширины запрещённой зоны

1.1.e Динамика носителей заряда

1.1.f Ширина пика спектра фотолюминесценции

1.1.g Квантовый выход фотолюминесценции

1.1.h Перовскитные квантовые точки

1.1.1 Смешанная проводимость и ионная миграция

1.1.j Нестабильность перовскитных материалов

1.1.k Свойства галогенидных перовскитных материалов CsPbBr3 и МАРЬ1з

1.2 Перовскитные светоизлучающие структуры

1.2.a Традиционные конструкции перовскитных светодиодов и их синтез

1.2.b Перовскитные электрохимические светоизлучающие ячейки

1.3 Перовскитные фотовольтаические структуры

1.4 Гибридизация перовскитных структур

1.4м Предпосылки гибридизации перовскитных оптоэлектронных

структур

1.4.Ь Гибридизация перовскитных светоизлучающих структур

1.4.с Гибридизация перовскитных солнечных элементов

1.4А Свойства полупроводников А3В5 и 1У-ой группы периодической системы химических элементов

ГЛАВА 2. ГИБРИДНЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ СТРУКТУРЫ: ГАЛОГЕНИДНЫЕ ПЕРОВСКИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ A3B5 И ГУ-ОЙ ГРУППЫ

2.1. Интеграция неорганического галогенидного перовскитного

МАТЕРИАЛА С КРЕМНИЕМ

2.1.а Материалы и методы

2.1.Ь Светоизлучающая структура

2.1.с Фотодиодная структура

2.1А Интеграция перовскитного материала с кремнием

2.1.е Выводы

Положение I

2.2. Интеграция неорганического галогенидного перовскитного материала с полупроводниками A3B5

2.2.а Материалы и Методы

2.Ь Гибкая светоизлучающая структура на основе гибридной

системы неорганический галогенидный перовскит/нитевидные

нанокристаллы фосфида галлия

2.2.с Выводы

Положение II

ГЛАВА 3. ГИБРИДНЫЕ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ: ГАЛОГЕНИДНЫЕ ПЕРОВСКИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И

ПОЛУПРОВОДНИКИ А3В5

6

3.1 Интеграция органо-неорганического галогенидного перовскитного материала с полупроводниками А3В5

3.1.а Материалы и методы

3.1.Ь Гибридная перовскитная фотоволътаическая структура с интегрированными нитевидными нанокристаллами фосфида галлия

3.1.с Выводы

Положение III

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

СПИСОК ТАБЛИЦ

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование гибридных оптоэлектронных структур на основе перовскитов галогенидных соединений, полимерных и полупроводниковых материалов»

Общая характеристика диссертации Актуальность темы:

Диссертация посвящена разработке, созданию и исследованию оптоэлектронных структур, основанных на интеграции традиционных полупроводниковых материалов (материалы А3В5 и 1У-ой группы периодической системы химических элементов) и галогенидных перовскитных материалов. Галогенидные перовскитные материалы - новый класс материалов перспективный для применения в оптоэлектронных и фотовольтаических структурах. Ряд уникальных физических свойств галогенидных перовскитов, таких как регулируемость ширины запрещённой зоны материала, устойчивость к дефектам кристаллической структуры, высокий коэффициент оптического поглощения, узкий пик спектра фото-(электро-) люминесценции, высокая цветопередача, высокий квантовый выход фотолюминесценции, относительно (органических материалов) высокие подвижность, длина диффузии и время жизни носителей зарядов позволяют создавать оптоэлектронные структуры с исключительными функциональными характеристиками, во многих аспектах превосходящими уже существующие, представленные на рынке оптоэлектронных устройств (как на основе органических (OLEDs), так и традиционных полупроводниковых материалов да дисплеи)) [1]-[3].

однако, ввиду некоторых своих свойств, галогенидные перовскиты обладают рядом недостатков, ограничивающих их использование для получения оптоэлектронных структур вне лабораторных условий. Ионная проводимость галогенидных перовскитных материалов способствует деградации приборных характеристик при джоулевом нагреве, возникающем при работе структур. Внутренняя хрупкость галогенидных перовскитных материалов ограничивает их использование в гибких применениях. Высокий показатель оптического преломления галогенидных перовскитных материалов

приводит к значительным оптическим потерям при поглощении и/или излучении галогенидными перовскитными материалами[4]

С целью преодоления особенностей галогенидных перовскитных материалов, отрицательно влияющих на работу оптоэлектронных структур, интеграция традиционных полупроводниковых материалов и галогенидных перовскитных материалов является перспективной областью исследований. Традиционные для микроэлектроники материалы, такие как кремний и фосфид галия, обладают параметрами (высокая теплопроводность, высокий показатель преломления), которые в комбинации с уникальными свойствами галогенидных перовскитов способны помочь в разработке и исследовании новых конструкций гибридных структур с улучшенными характеристиками. Таким образом, исследование, представленное в данной диссертации, имеет фундаментальную и прикладную актуальность и значимость.

[1] R. Sharif et al., "A comprehensive review of the current progresses and material advances in perovskite solar cells," Nanoscale Adv., vol. 5, no. 15, pp. 3803-3833, 2023.

[2] D. Yang et al., "Toward Stable and Efficient Perovskite Light-Emitting Diodes," Adv. Funct. Mater., vol. 32, no. 9, 2022.

[3] D. Gets et al., "Reconfigurable Perovskite LEC: Effects of Ionic Additives and Dual Function Devices," Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 3, p. 2001715, Feb. 2021.

[4] Y. Zhan, Q. Cheng, Y. Song, and M. Li, "Micro-Nano Structure Functionalized Perovskite Optoelectronics: From Structure Functionalities to Device Applications," Adv. Funct. Mater., vol. 32, no. 24, p. 2200385, Jun. 2022

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование гибридных оптоэлектронных структур на основе интеграции галогенидных перовскитных материалов и традиционных полупроводниковых материалов A3B5 и IV группы периодической системы химических элементов

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка конструкций гибридных оптоэлектронных структур с улучшенными приборными характеристиками на основе галогенидных перовскитных соединений и полупроводниковых материалов применительно к:

1.1. светоизлучающим структурам на твердых подложках;

1.2. гибким светоизлучающим структурам;

1.3. фотовольтаическим структурам.

2. Разработка и/или модификация технологических методов синтеза гибридных галогенидных перовскитных оптоэлектронных структур, применительно к:

2.1. светоизлучающим структурам на твердых подложках;

2.2. гибким светоизлучающим структурам;

2.3. фотовольтаическим структурам.

3. Сбор и анализ функциональных, оптических, структурных данных, полученных в результате характеризации гибридных галогенидных перовскитных оптоэлектронных структур, применительно к:

3.1. светоизлучающим структурам на твердых подложках;

3.2. гибким светоизлучающим структурам;

3.3. фотовольтаическим структурам.

4. Предложение системы методов улучшения функциональных характеристик галогенидных перовскитных оптоэлектронных структур методами гибридизации полупроводниковыми материалами А3В5 и 1У-ой группы периодической системы химических элементов, применительно к:

4.1. светоизлучающим структурам на твердых подложках;

4.2. гибким светоизлучающим структурам;

4.3. фотовольтаическим структурам.

Методы создания и исследования. В диссертации применялись:

1. Численное моделирование при помощи программных продуктов Silvaco ТСЛБ и Comsol Multiphysics;

2. Молекулярно-пучковая эпитаксия;

10

3. Метод инкапсуляции массивов нитевидных нанокристаллов А3В5 полупроводниковых соединений в полимерные матрицы с помощью гравитационной накрутки;

4. Методы синтеза материалов растворной химией;

5. Формирование тонких плёнок методом центрифугирования;

6. Прокисление кремниевых подложек;

7. Оптическая литография и жидкостное травление полупроводниковых материалов;

8. Термическое напыление металлов в вакууме;

9. Формирование электрических контактов из плёнок одностенных углеродных нанотрубок методом сухого переноса;

10. Плазмохимическое травление;

11. Сканирующая электронная микроскопия;

12. Рентгеноструктурный анализ;

13. Оптическая характеризация материалов: фотолюминесценция (в том числе с временным разрешением), оптическая микроскопия, измерение спектров пропускания, поглощения и отражения тонких плёнок;

14. Функциональная характеризация структур: измерение вольтамперных характеристик, измерение вольт-яркостных характеристик, отслеживание плотности тока и яркости структур при постоянном приложенном электрическом смещении, измерения фотодиодных свойств структур, внешней квантовой эффективности.

Научная новизна диссертации отражена в следующем:

Были впервые разработаны, созданы и исследованы гибридные оптоэлектронные структуры, основанные на интеграции традиционных полупроводниковых материалов ^аР и Si) и галогенидных перовскитных материалов.

Было впервые продемонстрировано гибридная бифункциональная (светоизлучающая и фотодиодная) перовскитная структура на кремниевой

подложке с улучшенным теплоотводом. Было показано, что механизм умножения фототока в такой структуре - лавинный.

Было впервые показано, что интеграция массива вертикально ориентированных нитевидных нанокристаллов фосфида галия, инкапсулированного в полимерный слой, с галогенидным перовскитным материалом обеспечивает создание гибкой гибридной светоизлучающей структуры с распределённым электродом, обеспечивающим эффективную инжекцию носителей зарядов в перовскитный материал.

Была впервые продемонстрирована галогенидная перовскитная фотовольтаическая структура с интегрированными в активную область нитевидными нанокристаллами (ННК) фосфида галия с улучшенными внешней квантовой эффективностью и разделением носителей зарядов благодаря возникновению встроенных каналов проводимости в слое перовскита на гетерогранице с ННК.

Теоретическая значимость р аботы:

- описан процесс инжекции носителей заряда в гибких перовскитных светоизлучающих структурах с распределенным электродом из GaP ННК;

- численными методами исследованы процессы теплопереноса в перовскитных слоях на кристаллической Si и стеклянных подложках;

- продемонстрирован механизмы улучшение поглощения света и эффективности разделения носителей зарядов в солнечных элементах на основе слоев перовскита с введенными GaP ННК.

Практическая значимость работы:

Результаты, представленные в диссертационной работе, могут быть использованы для создания новых гибридных галогенидных перовскитных оптоэлектронных структур и:

- их интеграции с компонентами микроэлектроники;

- для создания дисплеев для гражданских применений;

- для создания модулей устройств и систем для солнечной энергетики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Интеграция тонких слоёв неорганического галогенидного перовскитного материала CsPbBr3 с кристаллическими подложками Si, за счёт улучшенного теплоотвода, реализуемого в кремниевой подложке в процессе работы структуры, позволяет получать бифункциональные (светоизлучающие и фотодетектирующие) гибридные перовскитные структуры, с улучшенной стабильностью к джоулевуму нагреву (тепловой нагрев на 40% ниже, при приложенной электрической мощности на 32.7% выше в сравнении с использованием стандартных стеклянных подложек).

2. Массивы нитевидных нанокристаллов п^аР, инкапсулированные в эластичные полимерные матрицы, выступают в качестве распределенных электродов и при интеграции с перовскитными слоями CsPbBr3 за счет улучшенной инжекции носителей зарядов позволяют создавать гибкие перовскитные светоизлучающие структуры с увеличенной до 1 мкм толщиной активной областью, демонстрирующие электролюминесценцию на длине волны 538 нм и сохраняющие значение напряжения открытия диода на уровне 7.5..7.8 В после 30 циклов изгиба/релаксации.

3. Интеграция нитевидных нанокристаллов ь или р^аР в активную область органо-неорганического перовскитного МАРЬ13 солнечного элемента обеспечивает улучшение внешней квантовой эффективности солнечного элемента в диапазоне длин волн от 550 до 780 нм, за счёт формирования каналов проводимости носителей зарядов в перовските на гетерогранице с ННК и возникновения встроенного электрического поля в слое перовскита, что ведёт к более эффективному разделению и транспорту фотогенерируемых носителей зарядов.

Апробации результатов работы. Основные результаты исследований, представленные в диссертации, обсуждались на следующих школах и конференциях:

8th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN21", май 2021 г., Санкт-Петербург;

METANANO 2021. VI International Conference on Metamaterials and Nanophotonics, сентябрь 2021 г., Онлайн;

International conference PhysicA.SPb/2021, октябрь 2021 г., Санкт-Петербург;

10th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN23", май 2023 г., Санкт-Петербург;

Petersburg Perovskites - 2023. 1st SPbU Summer School on Halide Perovskites, июнь 2023 г., Онлайн.

По результатам проведённых исследований был получен грант для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических факультетов, расположенных на территории Санкт-Петербурга от Комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга в 2021 году.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных программных пакетов для проведения численного моделирования с выбором корректных, с физической точки зрения, граничных условий и размеров пространственных и временных сеток разбиения в методе конечных элементов, обеспечивающих сходимость численного решения систем уравнений. Результаты экспериментальных измерений многократно воспроизводятся для серии образцов. Полученные экспериментальные данные подвергаются статистической обработке. Имеется согласование между расчетными и экспериментальными данными. Результаты диссертации представлены на международных конференциях, а также опубликованы в журналах, входящих в базы цитирования Scopus и WoS, в том числе журналах первого квартиля.

14

Личный вклад автора.

Личный вклад автора состоит в создании и разработке конструкций всех обсуждающихся в диссертации структур, формировании самих структур; непосредственном проведении экспериментов. Обработка и интерпретация теоретических и экспериментальных данных проведена лично автором или совместно с соавторами. Постановка задач, а также обсуждение экспериментальных результатов и результатов численного моделирования проводилось совместно с научным руководителем. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены автором или при его непосредственном участии.

Публикации:

Основное содержание диссертации опубликовано в 4 научных работах, в том числе 4 публикациях в изданиях, индексируемых Web of Science или Scopus.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы из 234 наименований. Текст диссертации изложен на 205 страницах, содержит 56 рисунков и 10 таблиц.

Содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, дана оценка ее научной и практической значимости.

В первой главе «Перовскитные материалы и гибридные структуры» содержится обзор литературы по свойствам галогенидных перовскитных материалов, галогенидным перовскитным оптоэлектронным структурам, методам их синтеза и предпосылкам гибридизации, рассмотренным в экспериментальных и теоретических работах, определяющих область исследований и мировых тенденций в науке. Также в главе рассмотрены подходы к гибридизации галогенидных перовскитных структур и свойства материалов A3B5 и IV-ой группы периодической системы химических

15

элементов, исследуемых для гибридизации перовскитных оптоэлектронных структур в данной диссертации.

Во второй главе «Гибридные светоизлучающие структуры: галогенидные перовскитные материалы и полупроводники Л3В5 и 1У-ой группы» представлены собственные результаты по исследованию гибридных светоизлучающих структур вида Л3В5 или Si/неорганический галогенидный перовскитный материал.

В первом разделе главы «Интеграция неорганического галогенидного

перовскитного материала с кремнием» рассматривается структура

перовскитной светоизлучающей электрохимической ячейки (PeLEC),

состоящая из неорганического композитного материала CsPbBrз:PEO:LiTFSI

на п-легированной кремниевой подложке (с тыльным алюминиевым

контактом) с фронтальным контактом из слоя полупрозрачных одностенных

углеродных нанотрубок (ОУНТ). В ходе работы была разработана и

синтезирована конструкция образца, состоящего из четырех независимых

светоизлучающих структур с общим тыльным алюминиевым контактом, см.

рис. 1а. PeLEC были исследованы функционально: были проведены измерения

спектра электролюминесценции, вольт-амперных (ВАХ), вольт-яркостных

характеристик структур (ВЯХ), измерены внешняя квантовая эффективность

(EQE) структур и проведено динамическое исследование работы

светоизлучающей электрохимической ячейки. Разработанные

светоизлучающие структуры демонстрировали максимальную яркость около

7.24-103 кд/м2 на длине волны излучения 523 нм при приложенном

электрическом смещении 4.5 В и максимальную внешнюю квантовую

эффективность - 8.8% при напряжении 3.2 В, см. рис. 1Ь, с и d. Дополнительно

к функциональной характеризации структур было проведено численное

моделирование, подтверждающее экспериментальные результаты. В ходе

проведения исследования было выявлено, что значительная часть плотности

тока, протекающего через PeLEC, напрямую связана с носителями заряда,

«беспрепятственно» пролетающими через весь слой перовскита -, а именно,

16

недостаточной селективности электродов в структуре к зарядам различных знаков. Также, был сделан вывод, что относительно низкие значения EQE дополнительно объясняются тем фактом, что большая часть излучения PeLEC поглощается кремниевой подложкой. По результатам проведённого исследования бы сделан вывод о важности «оптической» и избирательной к носителям зарядов разных знаков оптимизации интерфейсов структуры PeLEC.

Рисунок 1. а) 3D-иллюстрация поперечного сечения разработанного PeLEC и фотография образца с четырьмя светоизлучающими структурами. Масштаб на фотографии - 5 мм; Ь) спектры ЭЛ структур при приложенном смещении смещении (для наглядности сдвинуты относительно друг друга); с) ВАХ и ВЯХ структур; d) зависимости эффективности ЭЛ и EQE PeLEC структур и от приложенного напряжения; е) отслеживание плотности тока и значения яркости PeLEC в течение 8 минут при напряжении 3.7 В; 1 сравнение ВАХ до и после выдерживания PeLEC при приложенном напряжении 3.7 В Динамическое исследование работы светоизлучающей электрохимической ячейки показало, что при прикладывание постоянного положительного напряжения (в данном случае ~ 3.7 В) внутри композитного галогенидного перовскитного слоя формируется р-ьп структура,

обеспечивающая электролюминесценцию структур. Однако, наблюдалось, что с течением времени (после 330 сек) приложенное электрическое смещение приводит к разрушению кристаллической структуры перовскитного материала и потери структурой светоизлучающих свойств, см. рис 1е и £ При прикладывании к PeLEC относительно низкого напряжения 2.6 В (яркость 300 кд/м2) светоизлучающая структура работало в течении 4800 с (~1 ч 20 мин) до неизбежной деградации активного слоя (короткое замыкание). Динамическая природа ионной проводимости перовскитных материалов приводит к временнОй нестабильности структур в процессе работы.

Разработанные структуры PeLEC дополнительно к светоизлучающим свойствам при прикладывание положительного электрического смещения демонстрировали фотодиодные свойства при прикладывании к структуре отрицательного электрического смещения. По результатам анализа проведённых измерений ВАХ и EQE (>100% при приложенном напряжении < -1 В и X < 350 нм) структур работающего в режиме фотодиода, см. рис. 2а и Ь, был сделан вывод наличии механизма лавинного пробоя фотодиода (и < -1 В ссоответствует электрическому полю внутри слоя перовскита ~ 105 В/см), ответственного за нелинейный рост фототока при приложенном напряжении меньше напряжения лавинного пробоя фотодиода (ись). Напряжение лавинного пробоя светодиода уменьшается с увеличением плотности мощности излучения, падающего на светоизлучающую структуру. В ходе проведения исследования были оценены основные характеристики галогенидного перовскитного фотодиода, такие как чувствительность (при X = 450 нм и 1.61 мВт/см2, чувствительность = 0.75 А/Вт), линейный динамический диапазон (LDR) работы фотодиода (равен 48 дБ в диапазоне от 25-10-3 мВт до 1.2 мВт приложенной мощности лазера на 450 нм) и обнаружительная способность (7.65-1010 Джонс при смещении -2.5 В и мощности падающего лазерного излучения 25.38-10-3 мВт).

33 °с

Рисунок 2. а) ВАХ фотодиода при различных плотностях мощности излучения лазера, вставка - значения для различных плотностей мощности лазера ; Ь) EQE фотодиода при различном приложенном напряжении, вставка - EQE структур при Ц = 0 В в линейных осях координат; ИК-изображения распределения тепла при работе PeLEC структур на с) подложке из 1ТО/стекла и d) Si подложке Применение кремниевой подложки в создании галогенидных перовскитных светоизлучающих структур показало улучшенный теплоотвод джоулева тепла для PeLEC у структур на кремниевой подложке по сравнению с аналогичными PeLEC структурами на подложках из натриево-известкового стекла, что было доказано с помощью ИК-визуализации работающих структур (тепловой нагрев для структур на кремниевых подложках на 40 % ниже, когда приложенная электрическая мощность на 32.7 % выше), см. рис. 2с и d, и численного моделирования. Для демонстрации технологического потенциала

разработанных бифункциональных галогенидных перовскитных структур был разработан и изготовлен индикаторный дисплей на 24 излучающих структуры (пикселя) с возможностью адресации каждого отдельного пикселя независимо с помощью отдельной платы адресации пикселей, а также миниатюрные светоизлучающие структуры (с размерами меньше 50 мкм) для возможного использования представленной технологии в приложениях с высокой плотностью пикселей малой площади (микродисплеи).

В заключении к перовому разделу сделаны выводы о том, что интеграция кремния с неорганическим галогенидным перовскитом позволяет получать бифункциональные гибридные перовскитные структуры, которые излучают свет на длине волны 523 нм и детектируют излучение на длине волны 450 нм с улучшенной стабильностью к джоулеву нагреву, за счёт улучшенного теплоотвода реализуемого в кремниевой подложке.

Во втором разделе главы «Интеграция неорганического галогенидного перовскитного материала с полупроводниками А3В5» обсуждается гибкое светоизлучающая структура (PeLEC) на основе композитного неорганического галогенидного материала (CsPbBr3:PEO) интегрированного с вертикально ориентированными п-легированными нитевидными нанокристаллами фосфида галия ^аР ННК), инкапсулированными в матрицу из силиконового каучука на основе стирола (SSR) и электродами на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок, см. рис. 3,.

Рисунок 3. а) Разработанная конструкция гибкого PeLEC на основе мембраны GaP ННК/SSR; Ь) СЭМ-изображение поперечного сечения структур В ходе исследования было проведено численное моделирование влияния геометрии структуры на работу PeLEC: учитывались поверхностная плотность

ННК в массиве, их диаметр и толщина слоя перовскита. Как и в случаи светоизлучающей электрохимической ячейки на кремниевой подложке, в структуре CsPbBrз:PEO/GaP ННК отсутствует достаточная избирательность к носителям зарядов противоположных знаков на обоих электродах, что ведёт в низкой квантовой эффективности структур. Так же по результатам моделирования были сделаны выводы, что: увеличение диаметра ННК и их поверхностной плотности приводит к снижению эффективности преобразования электрического тока в световое излучение, однако соответствует более высокой интенсивности излучения за счет роста суммарного тока, см. рис. 4а, и, увеличение толщины слоя перовскита обеспечивает более высокую эффективность PeLEC, но меньшую интенсивность излучения из-за роста общего сопротивления системы и уменьшения полного тока, см. рис. 4Ь.

Рисунок 4. Рассчитанные карты плотности излучательного тока в

зависимости от поверхностной плотности ННК и а) их диаметра, а также Ь)

толщины слоя перовскита

В результате проведения экспериментов было выявлено, что

рассматриваемая мембрана GaP ННК/SSR, на которой формируется плёнка

CsPbBrз:ПЭО, не изменяет кристаллические свойства зерен CsPbBrз

(сравнительно с тонкими пленками, нанесёнными на стеклянные подложки).

Функциональная характеризация гибкого PeLEC показала, что ВАХ

структур имеет характерный диодный вид с напряжением открытия 4 В

21

(низкие паразитные потенциальные барьеры для основных носителей заряда на границах ННК/ОУНТ, ННК/перовскит и перовскит/ОУНТ), см. рис. 5а, а так же, что гибкое PeLEC демонстрирует электролюминесценцию вблизи 538 нм на 5 В (толщина перовскитной плёнки > 1 мкм и размер перовскитных кристаллов предполагают безызлучательные потери внутри Е^ соответственно, возможно смещение пика электролюминесценции в красную область спектра), см рис. 5Ь. Поверхностная неоднородность сигнала электролюминесценции, см вставка на рис. 5Ь, объясняется неоднородным распределением по размерам эпитаксиально-выращенного самоорганизованного массива п^аР ННК (ННК диаметром меньше критического не могут проводить электрический ток) и неоднородностью слоев SSR или перовскита (влияет на инжекцию зарядов и на процессы безызлучательной рекомбинации). ВАХ PeLEC были измерены и проанализированы после 15 и 30 циклов изгиба структур. Изгиб структур приводит к уменьшению протекающего тока, что связано с нестабильностью контактов между слоями ОУНТ и слоем перовскита или основаниями ННК. Однако напряжение открытия PeLEC существенно не менялось после 30 циклов изгиба.

Рисунок 5. а) ВАХ разработанного PeLEC, вставка - оптическое изображение гибкой структуры. Масштаб - 10 мм; Ь) ЭЛ спектр разработанного PeLEC, вставка - оптическое изображение работающей структуры. Масштаб - 2 мм

В заключении ко второму разделу сделаны выводы о том, что в разработанной архитектуре гибкого PeLEC, с использованием кремниево-органических полимеров, содержащих стирол, распределённых контактов на основе массива п-легированных GaP ННК и контактных площадок на основе слоёв ОУНТ, частично введённые в активную перовскитную область п^аР ННК обеспечивали эффективную инжекцию носителей заряда в слой CsPbBrз:PEO, допуская повышение толщины активной области более 1 мкм для эффективного протекания тока. Так же, использование контактных площадок на основе слоев ОУНТ к мембране п^аР ННК/SSR и непосредственно к активной области CsPbBrз обеспечило формирование стабильных контактов для гибкого PeLEC.

В третьей главе «Гибридные фотовольтаические структуры: галогенидные перовскитные материалы и полупроводники А3В5» представлены собственные результаты по исследованию гибридных фотовольтаических структур вида А3В5/органо-неорганический галогенидный перовскитный материал. В работе исследовались органо-неорганические галогенидные перовскитные солнечные элементы (PeSC) п-ь р конструкции: стекло/FTO/c-TiO2/m-TiO2/MAPbIз/SPIRO-MeOTAD/Au, в которые между т-ТЮ2 и МАРЬ13 слоями были интегрированы ^аР ННК (собственной проводимости) и р^аР ННК (легированные кремнием), см. рис. 6.

Аи

Брю-ОМеТАО

СаР NWs г*—МАРЫз

ГП-ТЮ2

с-ПОг ПО

Рисунок 6. Структура исследуемого гибридного PeSC

23

В ходе исследования было проведено численное моделирование распространения и поглощения светового излучения моделирование полупроводниковых транспортных свойств рассматриваемого PeSC. Результаты моделирования, см. рис. 7а, показывают локализацию падающего света и усиление поглощения энергии в области под ННК (за счет оптического эффекта наноантенны). Внедрение ННК приводит к изгибу энергетических зон в области вблизи ННК и увеличению концентрации носителей зарядов внутри слоя перовскита вокруг поверхности интегрированного ННК, см. рис. 7Ь, что приводит к возникновению каналов проводимости для дырок внутри слоя перовскита вокруг поверхности ННК в случае р^аР ННК и для дырок и электронов в случае i-GaP ННК. Наличие каналов проводимости носителей зарядов приводит к локальному увеличению концентрации носителей заряда и обеспечивает более эффективное разделение носителей заряда в перовскитном слое.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баева Мария Григорьевна, 2023 год

Список литературы

[1] R. Sharif et al., "A comprehensive review of the current progresses and material advances in perovskite solar cells," Nanoscale Adv., vol. 5, no. 15, pp. 3803-3833, 2023.

[2] D. Yang et al., "Toward Stable and Efficient Perovskite Light-Emitting Diodes," Adv. Funct. Mater., vol. 32, no. 9, 2022.

[3] D. Gets et al., "Reconfigurable Perovskite LEC: Effects of Ionic Additives and Dual Function Devices," Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 3, p. 2001715, Feb. 2021.

[4] Y. Zhan, Q. Cheng, Y. Song, and M. Li, "Micro-Nano Structure Functionalized Perovskite Optoelectronics: From Structure Functionalities to Device Applications," Adv. Funct. Mater., vol. 32, no. 24, p. 2200385, Jun. 2022.

[5] S. K. Sahoo, B. Manoharan, and N. Sivakumar, "Introduction: Why perovskite and perovskite solar cells?," in Perovskite Photovoltaics: Basic to Advanced Concepts and Implementation, Elsevier, 2018, pp. 1-24.

[6] S. Brittman, G. W. P. Adhyaksa, and E. C. Garnett, "The expanding world of hybrid perovskites: materials properties and emerging applications," MRS Commun., vol. 5, no. 1, pp. 7-26, Mar. 2015.

[7] J. Akhtar, M. Aamir, and M. Sher, "Organometal lead halide perovskite," in Perovskite Photovoltaics: Basic to Advanced Concepts and Implementation, Elsevier, 2018, pp. 25-42.

[8] C. X. Zhang, T. Shen, D. Guo, L. M. Tang, K. Yang, and H. X. Deng, "Reviewing and understanding the stability mechanism of halide perovskite solar cells," InfoMat, vol. 2, no. 6, pp. 1034-1056, Nov. 2020.

[9] Z. Shi and A. H. Jayatissa, "Perovskites-based solar cells: A review of recent progress, materials and processing methods," Materials (Basel)., vol. 11, no. 5, p. 729, May 2018.

[10] I. E. Castelli, J. M. Garcia-Lastra, K. S. Thygesen, and K. W. Jacobsen, "Bandgap calculations and trends of organometal halide perovskites," APL Mater., vol. 2, no. 8, p. 081514, Aug. 2014.

[11] W. Zhang, J. Xiong, J. Li, and W. A. Daoud, "Impact of Temperature-Dependent Hydration Water on Perovskite Solar Cells," Sol. RRL, vol. 4, no. 1, p. 1900370, Jan. 2020.

[12] J. S. Manser, J. A. Christians, and P. V. Kamat, "Intriguing Optoelectronic Properties of Metal Halide Perovskites," Chem. Rev., vol. 116, no. 21, pp. 12956-13008, Nov. 2016.

[13] F. Ambrosio, F. De Angelis, and A. R. Goni, "The Ferroelectric-Ferroelastic Debate about Metal Halide Perovskites," J. Phys. Chem. Lett., vol. 13, no. 33, pp. 7731-7740, Aug. 2022.

[14] L. Chouhan, S. Ghimire, C. Subrahmanyam, T. Miyasaka, and V. Biju, "Synthesis, optoelectronic properties and applications of halide perovskites," Chem. Soc. Rev., vol. 49, no. 10, pp. 2869-2885, 2020.

[15] M. Ezzeldien et al., "Electronic and optical properties of bulk and surface of CsPbBr3 inorganic halide perovskite a first principles DFT 1/2 approach," Sci. Rep., vol. 11, no. 1, p. 20622, Oct. 2021.

[16] X. Y. Chin et al., "Self-assembled hierarchical nanostructured perovskites enable highly efficient LEDs via an energy cascade," Energy Environ. Sci., vol. 11, no. 7, pp. 1770-1778, 2018.

[17] C. Ran, J. Xu, W. Gao, C. Huang, and S. Dou, "Defects in metal triiodide perovskite materials towards high-performance solar cells: origin, impact, characterization, and engineering," Chem. Soc. Rev., vol. 47, no. 12, pp. 4581-4610, 2018.

[18] Q. A. Akkerman, G. Raino, M. V. Kovalenko, and L. Manna, "Genesis, challenges and opportunities for colloidal lead halide perovskite nanocrystals," Nat. Mater., vol. 17, no. 5, pp. 394-405, May 2018.

[19] M. A. Green, A. Ho-Baillie, and H. J. Snaith, "The emergence of perovskite solar cells," Nat. Photonics, vol. 8, no. 7, pp. 506-514, Jul. 2014.

[20] M. V. Kovalenko, L. Protesescu, and M. I. Bodnarchuk, "Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals," Science (80-. )., vol. 358, no. 6364, pp. 745-750, Nov. 2017.

174

[21] B. Das, Z. Liu, I. Aguilera, U. Rau, and T. Kirchartz, "Defect tolerant device geometries for lead-halide perovskites," Mater. Adv., vol. 2, no. 11, pp. 3655-3670, 2021.

[22] Y. Wang, Y. Zhang, P. Zhang, and W. Zhang, "High intrinsic carrier mobility and photon absorption in the perovskite CH 3 NH 3 Pbl 3," Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 17, no. 17, pp. 11516-11520, 2015.

[23] S. Tao et al., "Absolute energy level positions in tin- and lead-based halide perovskites," Nat. Commun., vol. 10, no. 1, p. 2560, Jun. 2019.

[24] M. B. Johnston and L. M. Herz, "Hybrid Perovskites for Photovoltaics: Charge-Carrier Recombination, Diffusion, and Radiative Efficiencies," Acc. Chem. Res., vol. 49, no. 1, pp. 146-154, Jan. 2016.

[25] M. Yuan et al., "Perovskite energy funnels for efficient light-emitting diodes," Nat. Nanotechnol., vol. 11, no. 10, pp. 872-877, Oct. 2016.

[26] L. M. Herz, "Charge-Carrier Dynamics in Organic-Inorganic Metal Halide Perovskites," Annu. Rev. Phys. Chem., vol. 67, no. 1, pp. 65-89, May 2016.

[27] Y. Kim, J. S. Kim, and T. Lee, "Strategies to Improve Luminescence Efficiency of Metal-Halide Perovskites and Light-Emitting Diodes," Adv. Mater., vol. 31, no. 47, p. 1804595, Nov. 2019.

[28] Y.-H. Kim, H. Cho, and T.-W. Lee, "Metal halide perovskite light emitters," Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 113, no. 42, pp. 11694-11702, Oct. 2016.

[29] A. D. Wright et al., "Electron-phonon coupling in hybrid lead halide perovskites," Nat. Commun., vol. 7, no. 1, p. 11755, May 2016.

[30] M. Lu, Y. Zhang, S. Wang, J. Guo, W. W. Yu, and A. L. Rogach, "Metal Halide Perovskite Light-Emitting Devices: Promising Technology for Next-Generation Displays," Adv. Funct. Mater., vol. 29, no. 30, p. 1902008, Jul. 2019.

[31] J. Leng, T. Wang, Z.-K. Tan, Y.-J. Lee, C.-C. Chang, and K. Tamada, "Tuning the Emission Wavelength of Lead Halide Perovskite NCs via Size and Shape Control," ACS Omega, vol. 7, no. 1, pp. 565-577, Jan. 2022.

[32] S. Adjokatse, H.-H. Fang, and M. A. Loi, "Broadly tunable metal halide perovskites for solid-state light-emission applications," Mater. Today, vol. 20, no.

175

8, pp. 413-424, Oct. 2017.

[33] Y. Jiang et al., "Reducing the impact of Auger recombination in quasi-2D perovskite light-emitting diodes," Nat. Commun., vol. 12, no. 1, p. 336, Jan. 2021.

[34] A. C. Berends and C. de Mello Donega, "Ultrathin One- and Two-Dimensional Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Pushing Quantum Confinement to the Limit," J. Phys. Chem. Lett., vol. 8, no. 17, pp. 4077-4090, Sep. 2017.

[35] L. Protesescu et al., "Nanocrystals of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX 3 , X = Cl, Br, and I): Novel Optoelectronic Materials Showing Bright Emission with Wide Color Gamut," Nano Lett., vol. 15, no. 6, pp. 3692-3696, Jun. 2015.

[36] J. Li et al., "50-Fold EQE Improvement up to 6.27% of Solution-Processed All-Inorganic Perovskite CsPbBr 3 QLEDs via Surface Ligand Density Control," Adv. Mater., vol. 29, no. 5, p. 1603885, Feb. 2017.

[37] X. K. Liu et al., "Metal halide perovskites for light-emitting diodes," Nat. Mater., vol. 20, no. 1, pp. 10-21, Jan. 2021.

[38] J. Song et al., "Monolayer and Few-Layer All-Inorganic Perovskites as a New Family of Two-Dimensional Semiconductors for Printable Optoelectronic Devices," Adv. Mater., vol. 28, no. 24, pp. 4861-4869, Jun. 2016.

[39] W. Fu et al., "Stability of perovskite materials and devices," Mater. Today, vol. 58, pp. 275-296, 2022.

[40] C. Eames, J. M. Frost, P. R. F. Barnes, B. C. O'Regan, A. Walsh, and M. S. Islam, "Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells," Nat. Commun., vol. 6, no. 1, p. 7497, Jun. 2015.

[41] A. Senocrate et al., "The Nature of Ion Conduction in Methylammonium Lead Iodide: A Multimethod Approach," Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 56, no. 27, pp. 7755-7759, 2017.

[42] J. Mizusaki, K. Arai, and K. Fueki, "Ionic conduction of the perovskite-type halides," Solid State Ionics, vol. 11, no. 3, pp. 203-211, Nov. 1983.

176

[43] M. H. Futscher and J. V. Milic, "Mixed Conductivity of Hybrid Halide Perovskites: Emerging Opportunities and Challenges," Front. Energy Res., vol. 9, Mar. 2021.

[44] T. Miyasaka and A. K. Jena, "Research Background and Recent Progress of Perovskite Photovoltaics," in Perovskite Photovoltaics and Optoelectronics, Wiley, 2022, pp. 1-60.

[45] A. M. A. Leguy et al., "Reversible Hydration of CH 3 NH 3 Pbl 3 in Films, Single Crystals, and Solar Cells," Chem. Mater., vol. 27, no. 9, pp. 33973407, May 2015.

[46] Z. Zhu et al., "Interaction of Organic Cation with Water Molecule in Perovskite MAPbl 3: From Dynamic Orientational Disorder to Hydrogen Bonding," Chem. Mater., vol. 28, no. 20, pp. 7385-7393, Oct. 2016.

[47] J. Huang, S. Tan, P. D. Lund, and H. Zhou, "Impact of H 2 O on organic-inorganic hybrid perovskite solar cells," Energy Environ. Sci., vol. 10, no. 11, pp. 2284-2311, 2017.

[48] J. A. Christians, P. A. Miranda Herrera, and P. V. Kamat, "Transformation of the Excited State and Photovoltaic Efficiency of CH 3 NH 3 Pbl 3 Perovskite upon Controlled Exposure to Humidified Air," J. Am. Chem. Soc., vol. 137, no. 4, pp. 1530-1538, Feb. 2015.

[49] S. Huang et al., "Morphology Evolution and Degradation of CsPbBr 3 Nanocrystals under Blue Light-Emitting Diode Illumination," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 8, pp. 7249-7258, Mar. 2017.

[50] D. Yang and D. Huo, "Cation doping and strain engineering of CsPbBr 3 -based perovskite light emitting diodes," J. Mater. Chem. C, vol. 8, no. 20, pp. 6640-6653, 2020.

[51] S. Singh et al., "Effect of Thermal and Structural Disorder on the Electronic Structure of Hybrid Perovskite Semiconductor CH 3 NH 3 PbI 3," J. Phys. Chem. Lett., vol. 7, no. 15, pp. 3014-3021, Aug. 2016.

[52] P. C. Reshmi Varma, "Low-dimensional perovskites," in Perovskite Photovoltaics: Basic to Advanced Concepts and Implementation, Elsevier, 2018, pp.

177

197-229.

[53] A. Fakharuddin et al., "Perovskite light-emitting diodes," Nat. Electron., vol. 5, no. 4, pp. 203-216, Apr. 2022.

[54] P. Jia et al., "Recent Advances in Flexible Perovskite Light-Emitting Diodes," Adv. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 17, p. 2100441, Sep. 2021.

[55] S. Yuan, Z.-K. Wang, M.-P. Zhuo, Q.-S. Tian, Y. Jin, and L.-S. Liao, "Self-Assembled High Quality CsPbBr 3 Quantum Dot Films toward Highly Efficient Light-Emitting Diodes," ACS Nano, vol. 12, no. 9, pp. 9541-9548, Sep. 2018.

[56] X. Ren, H. Fan, Y. Zhao, and Z. Liu, "Flexible Lead-Free BiFeO 3 /PDMS-Based Nanogenerator as Piezoelectric Energy Harvester," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 39, pp. 26190-26197, Oct. 2016.

[57] H. Kim, H. N. Ra, J. S. Kim, S.-H. Paek, J. Park, and Y. C. Kim, "Improved performance of flexible perovskite light-emitting diodes with modified PEDOT:PSS hole transport layer," J. Ind. Eng. Chem., vol. 90, pp. 117-121, Oct. 2020.

[58] M. M. Alam, S. K. Ghosh, A. Sultana, and D. Mandal, "Lead-free ZnSnO 3 /MWCNTs-based self-poled flexible hybrid nanogenerator for piezoelectric power generation," Nanotechnology, vol. 26, no. 16, p. 165403, Apr. 2015.

[59] Z. Liu, B. Sun, T. Shi, Z. Tang, and G. Liao, "Enhanced photovoltaic performance and stability of carbon counter electrode based perovskite solar cells encapsulated by PDMS," J. Mater. Chem. A, vol. 4, no. 27, pp. 10700-10709, 2016.

[60] R. D. Costa, Ed., Light-Emitting Electrochemical Cells. Cham: Springer International Publishing, 2017.

[61] K. Youssef, Y. Li, S. O'Keeffe, L. Li, and Q. Pei, "Fundamentals of Materials Selection for Light-Emitting Electrochemical Cells," Adv. Funct. Mater., vol. 30, no. 33, p. 1909102, Aug. 2020.

[62] Y. Ling et al., "Enhanced Optical and Electrical Properties of PolymerAssisted All-Inorganic Perovskites for Light-Emitting Diodes," Adv. Mater., vol.

178

28, no. 40, pp. 8983-8989, Oct. 2016.

[63] S. Chang, Z. Bai, and H. Zhong, "In Situ Fabricated Perovskite Nanocrystals: A Revolution in Optical Materials," Adv. Opt. Mater., vol. 6, no. 18, p. 1800380, Sep. 2018.

[64] T. Xu et al., "Polyethylene oxide)-assisted energy funneling for efficient perovskite light emission," J. Mater. Chem. C, vol. 7, no. 27, pp. 82878293, 2019.

[65] W. Cai et al., "Polymer-Assisted In Situ Growth of All-Inorganic Perovskite Nanocrystal Film for Efficient and Stable Pure-Red Light-Emitting Devices," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 10, no. 49, pp. 42564-42572, Dec. 2018.

[66] K. Sakthi Velu et al., "Poly (ethylene glycol) stabilized synthesis of inorganic cesium lead iodide polycrystalline light-absorber for perovskite solar cell," Mater. Lett., vol. 240, pp. 132-135, Apr. 2019.

[67] D. H. Kim, Y. C. Kim, H. J. An, and J.-M. Myoung, "Enhanced brightness of red light-emitting diodes based on CsPbBr I3--PEOXA composite films," J. Alloys Compd., vol. 845, p. 156272, Dec. 2020.

[68] U. Bansode, A. Rahman, and S. Ogale, "Low-temperature processing of optimally polymer-wrapped a-CsPbI 3 for self-powered flexible photo-detector application," J. Mater. Chem. C, vol. 7, no. 23, pp. 6986-6996, 2019.

[69] K. Wang et al., "High Quality CsPbI 3- x Br x Thin Films Enabled by Synergetic Regulation of Fluorine Polymers and Amino Acid Molecules for Efficient Pure Red Light Emitting Diodes," Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 3, p. 2001684, Feb. 2021.

[70] A. Ishteev et al., "Ambipolar perovskite light electrochemical cell for transparent display devices," Nov. 2019.

[71] A. S. Miroshnichenko et al., "Flexible Perovskite CsPbBr 3 Light Emitting Devices Integrated with GaP Nanowire Arrays in Highly Transparent and Durable Functionalized Silicones," J. Phys. Chem. Lett., vol. 12, no. 39, pp. 96729676, Oct. 2021.

[72] M. Alahbakhshi et al., "Bright and Efficient Perovskite Light Emitting Electrochemical Cells Leveraging Ionic Additives," Sep. 2019.

[73] A. Mishra et al., "Bright Single-Layer Perovskite Host-Ionic Guest Light-Emitting Electrochemical Cells," Chem. Mater., vol. 33, no. 4, pp. 12011212, Feb. 2021.

[74] A. Mishra et al., "Enhanced Operational Stability of Perovskite Light-Emitting Electrochemical Cells Leveraging Ionic Additives," Adv. Opt. Mater., vol. 8, no. 13, p. 2000226, Jul. 2020.

[75] A. Mishra, M. Alahbakhshi, R. Haroldson, Q. Gu, A. A. Zakhidov, and J. D. Slinker, "Pure Blue Electroluminescence by Differentiated Ion Motion in a Single Layer Perovskite Device," Adv. Funct. Mater., vol. 31, no. 31, p. 2102006, Aug. 2021.

[76] M. Alahbakhshi et al., "Bright perovskite light-emitting electrochemical cell utilizing CNT sheets as a tunable charge injector," in Organic and Hybrid Light Emitting Materials and Devices XXIV, 2020, p. 55.

[77] S. A. Veldhuis et al., "Perovskite Materials for Light-Emitting Diodes and Lasers," Adv. Mater., vol. 28, no. 32, pp. 6804-6834, Aug. 2016.

[78] Q. Shan et al., "High Performance Metal Halide Perovskite Light-Emitting Diode: From Material Design to Device Optimization," Small, vol. 13, no. 45, p. 1701770, Dec. 2017.

[79] X.-K. Liu et al., "Metal halide perovskites for light-emitting diodes," Nat. Mater., vol. 20, no. 1, pp. 10-21, Jan. 2021.

[80] E. Nannen, J. Frohleiks, and S. Gellner, "Light-Emitting Electrochemical Cells Based on Color-Tunable Inorganic Colloidal Quantum Dots," Adv. Funct. Mater., vol. 30, no. 33, p. 1907349, Aug. 2020.

[81] M. Lokanc, R. Eggert, and M. Redlinger, "The Availability of Indium: The Present, Medium Term, and Long Term," Golden, CO (United States), Oct. 2015.

[82] D. Banerjee and K. K. Chattopadhyay, "Hybrid Inorganic Organic

Perovskites," in Perovskite Photovoltaics, Elsevier, 2018, pp. 123-162.

180

[83] W. Shockley and H. J. Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells," J. Appl. Phys., vol. 32, no. 3, pp. 510-519, Mar. 1961.

[84] J. Park et al., "Controlled growth of perovskite layers with volatile alkylammonium chlorides," Nature, vol. 616, no. 7958, pp. 724-730, Apr. 2023.

[85] B. Ehrler, E. Alarcon-Llado, S. W. Tabernig, T. Veeken, E. C. Garnett, and A. Polman, "Photovoltaics Reaching for the Shockley-Queisser Limit," ACS Energy Lett., vol. 5, no. 9, pp. 3029-3033, Sep. 2020.

[86] Z. Shi and A. Jayatissa, "Perovskites-Based Solar Cells: A Review of Recent Progress, Materials and Processing Methods," Materials (Basel)., vol. 11, no. 5, p. 729, May 2018.

[87] S. Paek et al., "From Nano- to Micrometer Scale: The Role of Antisolvent Treatment on High Performance Perovskite Solar Cells," Chem. Mater., vol. 29, no. 8, pp. 3490-3498, Apr. 2017.

[88] V. Manjunath, R. Krishna, S. Maniarasu, E. Ramasamy, S. Shanmugasundaram, and G. Veerappan, "Perovskite Solar Cell Architectures," in Perovskite Photovoltaics, Elsevier, 2018, pp. 89-121.

[89] S. C. Watthage, Z. Song, A. B. Phillips, and M. J. Heben, "Evolution of Perovskite Solar Cells," in Perovskite Photovoltaics, Elsevier, 2018, pp. 43-88.

[90] А. В. Федоров, А. В. Баранов, А. О. Орлова, and В. Г. Маслов, «Санкт-Петербургский Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий, Механик И Оптики» Основы Физики Гибридных Наноструктур. Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2014.

[91] D.-L. Wang, H.-J. Cui, G.-J. Hou, Z.-G. Zhu, Q.-B. Yan, and G. Su, "Highly efficient light management for perovskite solar cells," Sci. Rep., vol. 6, no. 1, p. 18922, Jan. 2016.

[92] Z. Fan et al., "Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and flexible substrates," Nat. Mater., vol. 8, no. 8, pp. 648-653, Aug. 2009.

[93] M. M. Tavakoli, R. Tavakoli, P. Yadav, and J. Kong, "A graphene/ZnO

electron transfer layer together with perovskite passivation enables highly efficient

and stable perovskite solar cells," J. Mater. Chem. A, vol. 7, no. 2, pp. 679-686,

181

2019.

[94] M. Gabski, S. Ostendorp, M. Peterlechner, and G. Wilde, "Stability and Performance of Nanostructured Perovskites for Light-Harvesting Applications," Small Methods, vol. 3, no. 8, p. 1800404, Aug. 2019.

[95] Y. Lei et al., "A fabrication process for flexible single-crystal perovskite devices," Nature, vol. 583, no. 7818, pp. 790-795, Jul. 2020.

[96] I. Hwang, H.-D. Um, B.-S. Kim, M. Wober, and K. Seo, "Flexible crystalline silicon radial junction photovoltaics with vertically aligned tapered microwires," Energy Environ. Sci., vol. 11, no. 3, pp. 641-647, 2018.

[97] C.-H. Tien, N.-P. Yeh, K.-L. Lee, and L.-C. Chen, "Achieving Matrix Quantum Dot Light-Emitting Display Based on All-Inorganic CsPbBra Perovskite Nanocrystal Composites," IEEE Access, vol. 9, pp. 128919-128924, 2021.

[98] P. Teng et al., "Degradation and self-repairing in perovskite light-emitting diodes," Matter, vol. 4, no. 11, pp. 3710-3724, Nov. 2021.

[99] A. R. Bowring, L. Bertoluzzi, B. C. O'Regan, and M. D. McGehee, "Reverse Bias Behavior of Halide Perovskite Solar Cells," Adv. Energy Mater., vol. 8, no. 8, p. 1702365, Mar. 2018.

[100] Q. Dong, L. Lei, J. Mendes, and F. So, "Operational stability of perovskite light emitting diodes," J. Phys. Mater., vol. 3, no. 1, p. 012002, Jan. 2020.

[101] E. Fresta, V. Fernández-Luna, P. B. Coto, and R. D. Costa, "Merging Biology and Solid-State Lighting: Recent Advances in Light-Emitting Diodes Based on Biological Materials," Adv. Funct. Mater., vol. 28, no. 24, p. 1707011, Jun. 2018.

[102] C. Kang et al., "Highly Efficient and Stable White Light-Emitting Diodes Using Perovskite Quantum Dot Paper," Adv. Sci., vol. 6, no. 24, p. 1902230, Dec. 2019.

[103] Y. Cao et al., "Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures," Nature, vol. 562, no. 7726, pp. 249-253, Oct. 2018.

[104] Y. Miao et al., "Microcavity top-emission perovskite light-emitting

diodes," Light Sci. Appl., vol. 9, no. 1, p. 89, May 2020.

182

[105] Y. Dong et al., "Bipolar-shell resurfacing for blue LEDs based on strongly confined perovskite quantum dots," Nat. Nanotechnol., vol. 15, no. 8, pp. 668-674, Aug. 2020.

[106] R. L. Z. Hoye et al., "Identifying and Reducing Interfacial Losses to Enhance Color-Pure Electroluminescence in Blue-Emitting Perovskite Nanoplatelet Light-Emitting Diodes," ACS Energy Lett., vol. 4, no. 5, pp. 1181-1188, May 2019.

[107] Q. Wang et al., "Efficient sky-blue perovskite light-emitting diodes via photoluminescence enhancement," Nat. Commun., vol. 10, no. 1, p. 5633, Dec. 2019.

[108] J. P. Correa-Baena et al., "Promises and challenges of perovskite solar cells," Science (80-. )., vol. 358, no. 6364, pp. 739-744, Nov. 2017.

[109] E.-B. Kim, M. S. Akhtar, H.-S. Shin, S. Ameen, and M. K. Nazeeruddin, "A review on two-dimensional (2D) and 2D-3D multidimensional perovskite solar cells: Perovskites structures, stability, and photovoltaic performances," J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev., vol. 48, p. 100405, Sep. 2021.

[110] A. Furasova et al., "Nanophotonics for Perovskite Solar Cells," Adv. Photonics Res., vol. 3, no. 9, p. 2100326, Sep. 2022.

[111] W. Zhang et al., "Enhancement of Perovskite-Based Solar Cells Employing Core-Shell Metal Nanoparticles," Nano Lett., vol. 13, no. 9, pp. 45054510, Sep. 2013.

[112] R. Fan et al., "Tailored Au@TiO2 nanostructures for the plasmonic effect in planar perovskite solar cells," J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 24, pp. 1203412042, 2017.

[113] Y. T. Lin, G. Kumar, and F. C. Chen, "Interfacial plasmonic effects of gold nanoparticle-decorated graphene oxides on the performance of perovskite photovoltaic devices," Sol. Energy, vol. 211, pp. 822-830, Nov. 2020.

[114] J. Du et al., "Hot-Carrier Injection Antennas with Hemispherical AgO x@Ag Architecture for Boosting the Efficiency of Perovskite Solar Cells," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 12, no. 37, pp. 41446-41453, Sep. 2020.

183

[115] F. Juan et al., "Plasmonic Au Nanooctahedrons Enhance Light Harvesting and Photocarrier Extraction in Perovskite Solar Cell," ACS Appl. Energy Mater., vol. 4, no. 4, pp. 3201-3209, Apr. 2021.

[116] L. Najafi et al., "MoS2 Quantum Dot/Graphene Hybrids for Advanced Interface Engineering of a CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cell with an Efficiency of over 20%," ACS Nano, vol. 12, no. 11, pp. 10736-10754, Nov. 2018.

[117] N. Taurisano et al., "Inclusion of 2d transition metal dichalcogenides in perovskite inks and their influence on solar cell performance," Nanomaterials, vol. 11, no. 7, p. 1706, Jun. 2021.

[118] A. Agresti et al., "Titanium-carbide MXenes for work function and interface engineering in perovskite solar cells," Nat. Mater., vol. 18, no. 11, pp. 1228-1234, Nov. 2019.

[119] Y. Wang et al., "MXene-Modulated Electrode/SnO 2 Interface Boosting Charge Transport in Perovskite Solar Cells," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 12, no. 48, pp. 53973-53983, Dec. 2020.

[120] N. Aeineh et al., "Optical Optimization of the TiO2 Mesoporous Layer in Perovskite Solar Cells by the Addition of SiO2 Nanoparticles," ACS Omega, vol. 3, no. 8, pp. 9798-9804, Aug. 2018.

[121] A. D. Furasova, A. A. Zakhidov, A. Di Carlo, and S. V. Makarov, "Resonant silicon nanoparticles for enhanced light harvesting in halide perovskite solar cells," J. Phys. Conf. Ser., vol. 1092, p. 012038, Sep. 2018.

[122] A. Furasova et al., "Engineering the Charge Transport Properties of Resonant Silicon Nanoparticles in Perovskite Solar Cells," Energy Technol., vol. 8, no. 4, p. 1900877, Apr. 2020.

[123] F. Gao, Q. Zheng, and Y. Zhang, "Stability Improvement of Perovskite Solar Cells for Application of CuInS 2 Quantum Dot-Modified TiO 2 Nanoarrays," ACS Omega, vol. 4, no. 2, pp. 3432-3438, Feb. 2019.

[124] D. Zhou et al., "Semiconductor plasmon-sensitized broadband upconversion and its enhancement effect on the power conversion efficiency of perovskite solar cells," J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 32, pp. 16559-16567, 2017.

184

[125] X. Deng et al., "Highly bright Li(Gd,Y)F4:Yb,Er upconverting nanocrystals incorporated hole transport layer for efficient perovskite solar cells," Appl. Surf. Sci., vol. 485, pp. 332-341, Aug. 2019.

[126] Z. Feng, Z. Wu, Y. Hua, G. Zhu, X. Chen, and S. Huang, "Controlled growth of perovskite KMnF3 upconverting nanocrystals for near-infrared lightsensitive perovskite solar cells and photodetectors," J. Mater. Sci., vol. 56, no. 25, pp. 14207-14221, Sep. 2021.

[127] X. Zhuang et al., "Efficient energy storage and uvioresistant perovskite solar cells through insulating Y2O2S-based long-lasting phosphor layer," J. Power Sources, vol. 477, p. 228757, Nov. 2020.

[128] J. Dou et al., "Synergistic Effects of Eu-MOF on Perovskite Solar Cells with Improved Stability," Adv. Mater., vol. 33, no. 39, p. 2102947, Oct. 2021.

[129] L. Huang et al., "Oriented haloing metal-organic framework providing high efficiency and high moisture-resistance for perovskite solar cells," J. Power Sources, vol. 433, p. 226699, Sep. 2019.

[130] S. Wu et al., "2D metal-organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage," Nat. Nanotechnol., vol. 15, no. 11, pp. 934-940, Nov. 2020.

[131] X. Gong et al., "Black phosphorus quantum dots in inorganic perovskite thin films for efficient photovoltaic application," Sci. Adv., vol. 6, no. 15, Apr. 2020.

[132] C. Zhang et al., "Enhancing photovoltaic performance of perovskite solar cells utilizing germanium nanoparticles," Sol. Energy, vol. 188, pp. 839-848, Aug. 2019.

[133] L. Zheng, G. Page, and Z. Li, "ZnO nanowire embedded TiO2film as an electrode for perovskite CsPbI2Br solar cells," RSC Adv., vol. 11, no. 32, pp. 19705-19711, 2021.

[134] M. Tilli and A. Haapalinna, "Properties of Silicon," in Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies, Elsevier, 2010, pp. 3-17.

[135] L. Wang, J. Wen, C. Yang, and B. Xiong, "Potential of ITO thin film for electrical probe memory applications," Sci. Technol. Adv. Mater., vol. 19, no. 1,

185

pp. 791-801, Dec. 2018.

[136] D. E. Aspnes and A. A. Studna, "Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV," Phys. Rev. B, vol. 27, no. 2, pp. 985-1009, Jan. 1983.

[137] D. R. Wight, "Green luminescence efficiency in gallium phosphide," J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 10, no. 4, pp. 431-454, Mar. 1977.

[138] E. G. Gillan, "Precursor Chemistry - Group 13 Nitrides and Phosphides (Al, Ga, and In)," in Comprehensive Inorganic Chemistry II, Elsevier, 2013, pp. 969-1000.

[139] S. Adachi, Physical Properties of III-V Semiconductor Compounds. Wiley, 1992.

[140] X. Guo, Y. Ying, and L. Tong, "Photonic nanowires: From subwavelength waveguides to optical sensors," Acc. Chem. Res., vol. 47, no. 2, pp. 656-666, 2014.

[141] D. Khmelevskaia et al., "Directly grown crystalline gallium phosphide on sapphire for nonlinear all-dielectric nanophotonics," Appl. Phys. Lett., vol. 118, no. 20, p. 201101, May 2021.

[142] X. Duan, J. Wang, and C. M. Lieber, "Synthesis and optical properties of gallium arsenide nanowires," Appl. Phys. Lett., vol. 76, no. 9, pp. 1116-1118, Feb. 2000.

[143] Q. Gao et al., "Selective-area epitaxy of pure wurtzite InP nanowires: high quantum efficiency and room-temperature lasing.," Nano Lett., vol. 14, no. 9, pp. 5206-11, Sep. 2014.

[144] P. Krogstrup et al., "Single-nanowire solar cells beyond the Shockley-Queisser limit," Nat. Photonics, vol. 7, no. 4, pp. 306-310, Apr. 2013.

[145] Z. Zhong et al., "Efficiency enhancement of axial junction InP single nanowire solar cells by dielectric coating," Nano Energy, vol. 28, pp. 106-114, Oct. 2016.

[146] V. V. Fedorov et al., "Tailoring Morphology and Vertical Yield of Self-

Catalyzed GaP Nanowires on Template-Free Si Substrates," Nanomaterials, vol. 11,

186

no. 8, p. 1949, Jul. 2021.

[147] O. Y. Koval et al., "XRD Evaluation of Wurtzite Phase in MBE Grown Self-Catalyzed GaP Nanowires," Nanomaterials, vol. 11, no. 4, p. 960, Apr. 2021.

[148] O. Y. Koval et al., "Structural and Optical Properties of Self-Catalyzed Axially Heterostructured GaPN/GaP Nanowires Embedded into a Flexible Silicone Membrane," Nanomaterials, vol. 10, no. 11, p. 2110, Oct. 2020.

[149] E. Manousakis, "Optimizing the role of impact ionization in conventional insulators," Sci. Rep., vol. 9, no. 1, p. 20395, Dec. 2019.

[150] Z. Xu et al., "Discovery of Ionic Impact Ionization ( I 3 ) in Perovskites Triggered by a Single Photon," Jun. 2019.

[151] J. Xie et al., "Perovskite Bifunctional Device with Improved Electroluminescent and Photovoltaic Performance through Interfacial Energy-Band Engineering," Adv. Mater., vol. 31, no. 33, p. 1902543, Aug. 2019.

[152] Q. Shan et al., "Perovskite light-emitting/detecting bifunctional fibres for wearable LiFi communication," Light Sci. Appl., vol. 9, no. 1, p. 163, Sep. 2020.

[153] E. Kim et al., "Solvent-responsive polymer nanocapsules with controlled permeability: encapsulation and release of a fluorescent dye by swelling and deswelling," Chem. Commun., no. 12, p. 1472, 2009.

[154] Z. Liu et al., "Perovskite Bifunctional Diode with High Photovoltaic and Electroluminescent Performance by Holistic Defect Passivation," Small, vol. 18, no. 7, p. 2105196, Feb. 2022.

[155] S. Yang et al., "Bifunctional Dye Molecule in All-Inorganic CsPbIBr 2 Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 10%," Sol. RRL, vol. 3, no. 9, p. 1900212, Sep. 2019.

[156] X.-L. Li et al., "Lead-Free Perovskite-Based Bifunctional Device for Both Photoelectric Conversion and Energy Storage," ACS Appl. Energy Mater., vol. 4, no. 8, pp. 7952-7958, Aug. 2021.

[157] H. Xu et al., "Prominent Heat Dissipation in Perovskite Light-Emitting Diodes with Reduced Efficiency Droop for Silicon-Based Display," J. Phys. Chem. Lett., vol. 11, no. 9, pp. 3689-3698, May 2020.

187

[158] N. Zhou et al., "Perovskite nanowire-block copolymer composites with digitally programmable polarization anisotropy," Sci. Adv., vol. 5, no. 5, May 2019.

[159] E. M. Khabushev, D. V. Krasnikov, O. T. Zaremba, A. P. Tsapenko, A. E. Goldt, and A. G. Nasibulin, "Machine Learning for Tailoring Optoelectronic Properties of Single-Walled Carbon Nanotube Films," J. Phys. Chem. Lett., vol. 10, no. 21, pp. 6962-6966, Nov. 2019.

[160] I. V. Anoshkin, A. G. Nasibulin, Y. Tian, B. Liu, H. Jiang, and E. I. Kauppinen, "Hybrid carbon source for single-walled carbon nanotube synthesis by aerosol CVD method," Carbon N. Y., vol. 78, pp. 130-136, Nov. 2014.

[161] A. P. Tsapenko et al., "Highly conductive and transparent films of HAuCl4-doped single-walled carbon nanotubes for flexible applications," Carbon N. Y., vol. 130, pp. 448-457, Apr. 2018.

[162] A. Kaskela et al., "Aerosol-Synthesized SWCNT Networks with Tunable Conductivity and Transparency by a Dry Transfer Technique," Nano Lett., vol. 10, no. 11, pp. 4349-4355, Nov. 2010.

[163] M. I. Saidaminov et al., "Inorganic Lead Halide Perovskite Single Crystals: Phase-Selective Low-Temperature Growth, Carrier Transport Properties, and Self-Powered Photodetection," Adv. Opt. Mater., vol. 5, no. 2, p. 1600704, Jan. 2017.

[164] Z. Yang et al., "Impact of the Halide Cage on the Electronic Properties of Fully Inorganic Cesium Lead Halide Perovskites," ACS Energy Lett., vol. 2, no. 7, pp. 1621-1627, Jul. 2017.

[165] Q. A. Akkerman et al., "Solution Synthesis Approach to Colloidal Cesium Lead Halide Perovskite Nanoplatelets with Monolayer-Level Thickness Control," J. Am. Chem. Soc., vol. 138, no. 3, pp. 1010-1016, Jan. 2016.

[166] Y. P. Varshni, "Band-to-Band Radiative Recombination in Groups IV, VI, and III-V Semiconductors (I)," Phys. status solidi, vol. 19, no. 2, pp. 459-514, 1967.

[167] S. Adachi, Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III-V and II-

VI Semiconductors. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2009.

188

[168] C. Jacoboni, C. Canali, G. Ottaviani, and A. Alberigi Quaranta, "A review of some charge transport properties of silicon," Solid. State. Electron., vol. 20, no. 2, pp. 77-89, Feb. 1977.

[169] J. A. del Alamo and R. M. Swanson, "Modelling of minority-carrier transport in heavily doped silicon emitters," Solid. State. Electron., vol. 30, no. 11, pp. 1127-1136, Nov. 1987.

[170] M. S. Tyagi and R. Van Overstraeten, "Minority carrier recombination in heavily-doped silicon," Solid. State. Electron., vol. 26, no. 6, pp. 577-597, Jun. 1983.

[171] J. Piprek, Semiconductor optoelectronic devices: Introduction to physics and simulation. Elsevier, 2003.

[172] S. M. Sze and K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2006.

[173] L. Atourki et al., "Impact of iodide substitution on the physical properties and stability of cesium lead halide perovskite thin films CsPbBr3-xIx (0 < x < 1)," J. Alloys Compd., vol. 702, pp. 404-409, Apr. 2017.

[174] I. N. Y. M.P.Mikhailova, A. A. Rogachev, "Impact ionization and Auger Recombination in InAs," Sov.Phys.Semicond., vol. 10, pp. 191-194, 1976.

[175] E. Manousakis, "Optimizing the role of impact ionization in conventional insulators," Sci. Rep., vol. 9, no. 1, p. 20395, Dec. 2019.

[176] J. C. Park, H.-N. Lee, and S. Im, "Self-Aligned Top-Gate Amorphous Indium Zinc Oxide Thin-Film Transistors Exceeding Low-Temperature Poly-Si Transistor Performance," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 5, no. 15, pp. 69906995, Aug. 2013.

[177] X. Lin et al., "Enhanced Performance of Green Perovskite Quantum Dots Light-Emitting Diode Based on Co-Doped Polymers as Hole Transport Layer," IEEE Electron Device Lett., vol. 40, no. 9, pp. 1479-1482, Sep. 2019.

[178] V. Neplokh et al., "Modified silicone rubber for fabrication and contacting of flexible suspended membranes of n-/p-GaP nanowires with a singlewalled carbon nanotube transparent contact," J. Mater. Chem. C, vol. 8, no. 11, pp.

189

3764-3772, 2020.

[179] T. Miyauchi, H. Sonomura, and N. Yamamoto, "Electrical Properties of Gallium Phosphide," Japanese Journal of Applied Physics, 1967. [Online]. Available: https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaP/electric.html.

[180] Ioffe Institute, "Gallium Nitride Band Structure and carrier concentration," Ioffe Institute, 2015. [Online]. Available: http : //www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaN/bandstr.html.

[181] F. M. Kochetkov et al., "Stretchable Transparent Light-Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Quantum Well Microwires and Carbon Nanotube Films," Nanomaterials, vol. 11, no. 6, p. 1503, Jun. 2021.

[182] E. P. Gilshteyn et al., "Mechanically Tunable Single-Walled Carbon Nanotube Films as a Universal Material for Transparent and Stretchable Electronics," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 11, no. 30, pp. 27327-27334, Jul. 2019.

[183] F. M. Kochetkov et al., "Fabrication and electrical study of large area free-standing membrane with embedded GaP NWs for flexible devices," Nanotechnology, vol. 31, no. 46, p. 46LT01, Nov. 2020.

[184] H. Okumura, T. Akane, Y. Tsubo, and S. Matsumoto, "Comparison of Conventional Surface Cleaning Methods for Si Molecular Beam Epitaxy," J. Electrochem. Soc., vol. 144, no. 11, pp. 3765-3768, Nov. 1997.

[185] K. Imamura, M. Takahashi, Asuha, Y. Hirayama, S. Imai, and H. Kobayashi, "Nitric acid oxidation of Si method at 120 °C: HNO3 concentration dependence," J. Appl. Phys., vol. 107, no. 5, p. 054503, Mar. 2010.

[186] A. Ishizaka and Y. Shiraki, "Low Temperature Surface Cleaning of Silicon and Its Application to Silicon MBE," J. Electrochem. Soc., vol. 133, no. 4, pp. 666-671, Apr. 1986.

[187] A. D. Bolshakov et al., "Growth and Characterization of GaP/GaPAs Nanowire Heterostructures with Controllable Composition," Phys. status solidi -Rapid Res. Lett., vol. 13, no. 11, p. 1900350, Nov. 2019.

[188] F. Matteini, G. Tütüncüoglu, H. Potts, F. Jabeen, and A. Fontcuberta i

190

Morral, "Wetting of Ga on SiO x and Its Impact on GaAs Nanowire Growth," Cryst. Growth Des., vol. 15, no. 7, pp. 3105-3109, Jul. 2015.

[189] G. E. Cirlin et al., "Self-catalyzed, pure zincblende GaAs nanowires grown on Si(111) by molecular beam epitaxy," Phys. Rev. B, vol. 82, no. 3, p. 035302, Jul. 2010.

[190] O. Saket et al., "Axial junction GaAsP nanowires for solar cells applications (Conference Presentation)," in Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices VIII, 2019, p. 22.

[191] M. Tchernycheva et al., "Photovoltaic properties of GaAsP core-shell nanowires on Si(001) substrate," Nanotechnology, vol. 23, no. 26, p. 265402, Jul. 2012.

[192] W. Van Roosbroeck, "Theory of the Flow of Electrons and Holes in Germanium and Other Semiconductors," Bell Syst. Tech. J., vol. 29, no. 4, pp. 560607, Oct. 1950.

[193] S. Adachi, Properties of Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. Wiley, 2005.

[194] F. Fabregat-Santiago et al., "Electron Transport and Recombination in Solid-State Dye Solar Cell with Spiro-OMeTAD as Hole Conductor," J. Am. Chem. Soc., vol. 131, no. 2, pp. 558-562, Jan. 2009.

[195] P. Roy, N. Kumar Sinha, S. Tiwari, and A. Khare, "A review on perovskite solar cells: Evolution of architecture, fabrication techniques, commercialization issues and status," Sol. Energy, vol. 198, pp. 665-688, Mar. 2020.

[196] D. K. Sharma, S. Hirata, and M. Vacha, "Single-particle electroluminescence of CsPbBr3 perovskite nanocrystals reveals particle-selective recombination and blinking as key efficiency factors," Nat. Commun., vol. 10, no. 1, p. 4499, Oct. 2019.

[197] M. Zhang et al., "Synthesis and single crystal growth of perovskite semiconductor CsPbBr 3," J. Cryst. Growth, vol. 484, pp. 37-42, Feb. 2018.

[198] X. Yang et al., "Improved photoelectric performance of all-inorganic

191

perovskite through different additives for green light-emitting diodes," RSC Adv., vol. 9, no. 59, pp. 34506-34511, 2019.

[199] C. Tenailleau, S. Aharon, B.-E. Cohen, and L. Etgar, "Cell refinement of CsPbBr 3 perovskite nanoparticles and thin films," Nanoscale Adv., vol. 1, no. 1, pp. 147-153, 2019.

[200] X. Yang et al., "Fabrication of CsPbBr 3 films with high quality using a simple method," J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 54, no. 15, p. 154001, Apr. 2021.

[201] C. C. Stoumpos et al., "Crystal Growth of the Perovskite Semiconductor CsPbBr 3 : A New Material for High-Energy Radiation Detection," Cryst. Growth Des., vol. 13, no. 7, pp. 2722-2727, Jul. 2013.

[202] H. M. Rietveld, "A profile refinement method for nuclear and magnetic structures," J. Appl. Crystallogr., vol. 2, no. 2, pp. 65-71, Jun. 1969.

[203] T. Roisnel and J. Rodriquez-Carvajal, "WinPLOTR: A Windows Tool for Powder Diffraction Pattern Analysis," Mater. Sci. Forum, vol. 378-381, pp. 118123, Oct. 2001.

[204] K. Shugurov, A. Mozharov, G. Sapunov, V. Fedorov, M. Tchernycheva, and I. Mukhin, "Single GaN Nanowires for Extremely High Current Commutation," Phys. status solidi - Rapid Res. Lett., vol. 15, no. 4, p. 2000590, Apr. 2021.

[205] A. Cavallini et al., "Defect Distribution along Single GaN Nanowhiskers," Nano Lett., vol. 6, no. 7, pp. 1548-1551, Jul. 2006.

[206] V. V. Fedorov et al., "Droplet epitaxy mediated growth of GaN nanostructures on Si (111) via plasma-assisted molecular beam epitaxy," CrystEngComm, vol. 20, no. 24, pp. 3370-3380, 2018.

[207] R. Calarco, T. Stoica, O. Brandt, and L. Geelhaar, "Surface-induced effects in GaN nanowires," J. Mater. Res., vol. 26, no. 17, pp. 2157-2168, Sep. 2011.

[208] A. D. Bolshakov et al., "Microlens-Enhanced Substrate Patterning and MBE Growth of GaP Nanowires," Semiconductors, vol. 52, no. 16, pp. 2088-2091, Dec. 2018.

[209] G. Mannino et al., "Temperature-Dependent Optical Band Gap in

192

CsPbBr 3 , MAPbBr 3 , and FAPbBr 3 Single Crystals," J. Phys. Chem. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 2490-2496, Apr. 2020.

[210] A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, "Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells," J. Am. Chem. Soc., vol. 131, no. 17, pp. 6050-6051, May 2009.

[211] H. Min et al., "Perovskite solar cells with atomically coherent interlayers on SnO2 electrodes," Nature, vol. 598, no. 7881, pp. 444-450, Oct. 2021.

[212] F. M. Kochetkov et al., "Fabrication and electrical study of large area free-standing membrane with embedded GaP NWs for flexible devices," Nanotechnology, vol. 31, no. 46, p. 46LT01, Nov. 2020.

[213] F. J. Arlinghaus, "Energy bands in stannic oxide (SnO2)," J. Phys. Chem. Solids, vol. 35, no. 8, pp. 931-935, Jan. 1974.

[214] C. Dette et al., "TiO 2 Anatase with a Bandgap in the Visible Region," Nano Lett., vol. 14, no. 11, pp. 6533-6538, Nov. 2014.

[215] G. Yang et al., "Interface engineering in planar perovskite solar cells: energy level alignment, perovskite morphology control and high performance achievement," J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 4, pp. 1658-1666, 2017.

[216] F. C. Marques and J. J. Jasieniak, "Ionization potential and electron attenuation length of titanium dioxide deposited by atomic layer deposition determined by photoelectron spectroscopy in air," Appl. Surf. Sci., vol. 422, pp. 504-508, Nov. 2017.

[217] C. Dervos, "Permittivity properties of thermally treated TiO2," Mater. Lett., vol. 58, no. 9, pp. 1502-1507, Mar. 2004.

[218] M. I. Saidaminov et al., "High-quality bulk hybrid perovskite single crystals within minutes by inverse temperature crystallization," Nat. Commun., vol. 6, no. 1, p. 7586, Jul. 2015.

[219] C. Motta, F. El-Mellouhi, and S. Sanvito, "Charge carrier mobility in hybrid halide perovskites," Sci. Rep., vol. 5, no. 1, p. 12746, Aug. 2015.

[220] H. M. Yates, P. Evans, and D. W. Sheel, "The Influence of F-Doping in SnO2 Thin Films," Phys. Procedia, vol. 46, pp. 159-166, 2013.

193

[221] W. H. Nguyen, C. D. Bailie, E. L. Unger, and M. D. McGehee, "Enhancing the Hole-Conductivity of Spiro-OMeTAD without Oxygen or Lithium Salts by Using Spiro(TFSI) 2 in Perovskite and Dye-Sensitized Solar Cells," J. Am. Chem. Soc., vol. 136, no. 31, pp. 10996-11001, Aug. 2014.

[222] T. Bak, M. K. Nowotny, L. R. Sheppard, and J. Nowotny, "Mobility of Electronic Charge Carriers in Titanium Dioxide," J. Phys. Chem. C, vol. 112, no. 33, pp. 12981-12987, Aug. 2008.

[223] Y. Chen et al., "Extended carrier lifetimes and diffusion in hybrid perovskites revealed by Hall effect and photoconductivity measurements," Nat. Commun., vol. 7, no. 1, p. 12253, Aug. 2016.

[224] Y. Li, H. Li, C. Zhong, G. Sini, and J.-L. Brédas, "Characterization of intrinsic hole transport in single-crystal spiro-OMeTAD," npj Flex. Electron., vol. 1, no. 1, p. 2, Sep. 2017.

[225] L. J. Phillips et al., "Dispersion relation data for methylammonium lead triiodide perovskite deposited on a (100) silicon wafer using a two-step vapour-phase reaction process," Data Br., vol. 5, pp. 926-928, Dec. 2015.

[226] Z. Li, H. H. Tan, C. Jagadish, and L. Fu, "III-V Semiconductor Single Nanowire Solar Cells: A Review," Adv. Mater. Technol., vol. 3, no. 9, p. 1800005, Sep. 2018.

[227] E. Tiguntseva et al., "Resonant silicon nanoparticles for enhancement of light absorption and photoluminescence from hybrid perovskite films and metasurfaces," Nanoscale, vol. 9, no. 34, pp. 12486-12493, 2017.

[228] A. Furasova et al., "Mie-resonant mesoporous electron transport layer for highly efficient perovskite solar cells," Nano Energy, vol. 89, p. 106484, Nov. 2021.

[229] Y. Yamada et al., "Dynamic Optical Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Single Crystals As Revealed by One- and Two-Photon Excited Photoluminescence Measurements," J. Am. Chem. Soc., vol. 137, no. 33, pp. 10456-10459, Aug. 2015.

[230] P. S. Whitfield et al., "Structures, Phase Transitions and Tricritical Behavior of the Hybrid Perovskite Methyl Ammonium Lead Iodide," Sci. Rep., vol.

194

6, no. 1, p. 35685, Oct. 2016.

[231] W. H. Baur and A. A. Khan, "Rutile-type compounds. IV. SiO2, GeO2 and a comparison with other rutile-type structures," Acta Crystallogr. Sect. B Struct. Crystallogr. Cryst. Chem., vol. 27, no. 11, pp. 2133-2139, Nov. 1971.

[232] P. A. Beckmann, "A review of polytypism in lead iodide," Cryst. Res. Technol., vol. 45, no. 5, pp. 455-460, May 2010.

[233] A. L. Patterson, "The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination," Phys. Rev., vol. 56, no. 10, pp. 978-982, Nov. 1939.

[234] M. Saliba and L. Etgar, "Current density mismatch in Perovskite solar cells," ACS Energy Lett., vol. 5, no. 9, pp. 2886-2888, Sep. 2020.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1. Кристаллическая структура элементарной ячейки перовскита

формы АВХ3: а) неорганического (А = Cs+); Ь) органо-неорганического (А = МА). Жёлтые шары - катионы на позиции В ^е2+, Sn2+, РЬ2); оранжевые -

анионы на позиции X С1-, Вг-, I-) [7]..............................................................56

Рисунок 2. Атомная структура и ионные радиусы катионов МА, Fa и Cs+

[11 ]...........................................................................................................................57

Рисунок 3. Организация молекулярных диполей при а) отсутствии и Ь)

наличии внешнего электрического поля [7].......................................................57

Рисунок 4. Структурные деформации идеальной связи В- Х-В с углом

180°, обусловленные размером катиона в позиции А [13]................................58

Рисунок 5. Карта сочетания t и ц для определения пределов формируемости трехмерных галогенидных перовскитов свинца (красная область) и олова (синяя область) в зависимости от радиуса катиона в позиции А и радиуса галогенидного аниона («X»). Ионные радиусы шестикоординатного РЬ(11) и Sn(II) приняты равными 119 пм и 110 пм,

соответственно [12]...............................................................................................59

Рисунок 6. а) Диаграмма связывания изолированных орбиталей в [РЬ16]4-

[12]; Ь) панель слева: зонная структура СНЫН3РЫ3. Зелёные линии - зонная структура РЬ13, чёрные - МАРЫ3; панель справа: плотность электронных состояний МАРЬ13 [8]; с) зонная структура и плотность электронных состояний объемного орторомбического CsPbBг3 [15]......................................61

Рисунок 7. а) Точечные дефекты в перовскитной кристаллической структуре в зависимости от энергии их образования; Ь) диаграмма связывания изолированных орбиталей в перовскитах, устойчивых к дефектам [11], [20] 63 Рисунок 8. Зонные диаграммы галогенидных перовскитных соединений

вида АВХ3 в зависимости от их химического состава [23]..............................63

Рисунок 9. Механизмы рекомбинации в галогенидных перовскитах: а) мономолекулярная рекомбинация; Ь) бимолекулярная рекомбинация; с) оже-

рекомбинация [26]; СВМ - дно зоны проводимости, УБМ - потолок валентной

зоны.........................................................................................................................65

Рисунок 10. Цветовые координаты чистых галогенидных перовскитов

[31]..........................................................................................................................66

Рисунок 11. Экспериментальные PLQY данные квази-двумерных перовскитных (красная линия) и трёхмерных перовскитных тонких пленок

(синяя линия) в зависимости от плотности носителей [33]..............................67

Рисунок 12. Схематическое изображение квантово-размерных эффектов

в квантовых точках [34]........................................................................................68

Рисунок 13. а) Иллюстрация смешанной проводимости, вызванной миграцией ионов в электрическом поле; Ь) гистерезис ВАХ, который связан с

ионной миграцией [43].........................................................................................69

Рисунок 14. Схематическое изображение двух механизмов рекомбинации для PeLED: а) прямая инжекция и рекомбинация заряда и б) перенос заряда. и рекомбинация через Фёрстеровский перенос энергии [30].

.................................................................................................................................74

Рисунок 15. а) Функциональные слои, составляющие PeLED, отмечены слева, а их вклад в различные процессы перечислены справа [53]; Ь) Согласование энергетических уровней материалов, используемых в качестве

ЕТЦ перовскитных эмиттеров и НТЬ [30].........................................................75

Рисунок 16. Схематическая упрощенная (для объяснения принципа работы PeLEC) диаграмма уровней энергии: а) сразу после приложения электрического смещения к структуре/при низком приложенном напряжении;

b) после начала диффузии носителей заряда к противоположным интерфейсам

c) после образования р-, ь и п- областей [80].....................................................79

Рисунок 17. а) Край оптического поглощения МАРЬ13 и FAPbIз указанный относительно солнечного спектра АМ1.5 G; Ь) кривая предела Шокли-Квайссера с отмеченными основными материалами для фотовольтаики [85]..........................................................................................................................81

Рисунок 18. Схема одностадийного процесса центрифугирования

перовскитных пленок а) без обработки антирастворителем (A.S.T -

«antisolvent treatment») и b) с ней [87].................................................................82

Рисунок 19. Конструкции PeSC: а) мезопористая n-i-p; b) планарная n-i-

p; c) планарная p-i-n, где HTM и ETM - дырочно- и электронно- проводящие

материалы, соответственно [89]; d) схематическое представление зонной

диаграммы PeSC n-i-p конструкции [88]............................................................83

Рисунок 20. Эффективность поглощения падающего излучения всех

слоёв PeSC [91]......................................................................................................85

Рисунок 21. а) Элементарная ячейка решетки кремния. Серые атомы

кремния в решетке находятся в позициях гранецентрированной решётки, а

атомы светлого цвета сдвинуты относительно серых атомов из

гранецентрированных позиций в направлении [111] на У периода

элементарной ячейки [134]; b) схематическое обозначение кристаллических

плоскостей решётки «алмаз» и плотностей атомов в них.................................90

Рисунок 22. Элементарная ячейка решетки фосфида галия. Чёрные

атомы - галий, белые - фосфор [139].................................................................93

Рисунок 23. Принципиальные схемы а) традиционной структуры PeLED,

где CTL - транспортный слой для переноса зарядов, QD - квантовые точки; b)

структура разработанной светоизлучающей структуры PeLEC, где SWCNT -

однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ)..................................................97

Рисунок 24. а) схема процессирования разработанного

бифункционального PeLEC; b) 3D-иллюстрация поперечного сечения

светоизлучающей структуры и её СЭМ-изображения, масштаб - 200 нм; с)

фотографии итогового образца: левая панель — без приложенного

напряжения, правая панель — с приложенным положительным смещением к

одной из светоизлучающих структур, масштаб - 5 мм......................................99

Рисунок 25. Ключевые характеристики разработанного

светоизлучающей структуры: а) спектры ЭЛ светоизлучающей структуры при

приложенном смещении смещении (для наглядности сдвинуты относительно

198

друг друга), вставка - цветовое пространство CIE 1931 RGB с треугольным стандартом цветовой гаммы NTSC, маркер «звезда» - цветовые координаты светоизлучающей структуры; b) ВАХ и ВЯХ светоизлучающей структуры; с) зонная диаграмма светоизлучающей структуры при приложенном напряжении 0 В (слева) и 4 В (справа), где Ec и Ev — дно зоны проводимости и потолок валентной зоны материала перовскита, соответственно, EFn и EFp — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, соответственно; d) зависимости эффективности ЭЛ и EQE PeLEC светоизлучающей структуры и от приложенного напряжения; e) кривая энергоэффективности светоизлучающей

структуры.............................................................................................................106

Рисунок 26. Результаты численного моделирования: а) ВАХ PeLEC при приложенном положительном смещении для различных времён жизни носителей заряда: т = 10 нс (левая панель) и т = 120 нс (правая панель); b) IQE PeLEC при различных временах жизни носителей заряда в зависимости от приложенного смещения; с) IQE PeLEC в зависимости от времени жизни

носителей заряда при 4 В...................................................................................108

Рисунок 27. а) эффективность вывода излучаемого света PeLEC в зависимости от угла ориентации точечного диполя; b) карта модуля вектора электрического поля излучаемого света PeLEC при различных ориентациях

точечного диполя.................................................................................................109

Рисунок 28. Результаты динамического исследования работы PeLEC: a) левая панель - отслеживание плотности тока и значения яркости PeLEC в течение 8 минут при напряжении 3.7 В, правая панель - увеличенная часть графика с максимальной плотностью тока; b) сравнение ВАХ до и после выдерживания PeLEC при приложенном напряжении 3.7 В; с) схематическая упрощенная зонная диаграмма PeLEC в сочетании с возможным сценарием

движения ионов...................................................................................................110

Рисунок 29. Соответствие ветви обратного смещения кривой ВАХ (при различный уровнях освещённости) уравнению умножения тока лавинного фотодиода.............................................................................................................112

199

Рисунок 30. Ключевые характеристики разработанного фотодиодной

структуры: а) ВАХ фотодиода при различных плотностях мощности излучения

лазера, вставка - значения Uch для различных плотностей мощности лазера ; b)

EQE фотодиода при различном приложенном напряжении, вставка - EQE

структуры при U = 0 В в линейных осях координат; с) схематическая

упрощенная зонная диаграмма структуры в фотодиодном режиме работы; d)

чувствительность структуры к плотности мощности лазера, вставка -

увеличенный участок графика от U = 0 В до Uch e) LDR структуры для трех

различных приложенных напряжений, вставка - область LDR для трех

смещений в линейных осях координат; f) обнаружительная способность

структуры для различных плотностей мощности лазера, вставка -

увеличенный участок графика для максимального D* в линейных осях

координат..............................................................................................................113

Рисунок 31. ИК-изображения распределения тепла при работе PeLEC

светоизлучающих структур на а) подложке из ITO/стекла и b) Si подложке;

результаты моделирования карт распределения тепла для с) подложки из

ITO/стекла и в) Si подложки. Масштаб в а) и b) - 5 мм..................................118

Рисунок 32. Изображения индикаторного дисплея на основе

бифункциональных PeLEC: а) слева - общий вид индикаторного дисплея на

PCB и PCB адресации пикселей дисплея, справа - увеличенное изображение

установленных на PCB PeLEC образцов; b) изображение индикаторного

дисплея в дневном свете; с) изображение индикаторного дисплея со всеми

включёнными пикселями при слабом окружающем освещении; d)-m)

изображения цифр от 0 до 9, отображаемых с помощью индикаторного

дисплея. Масштаб на всех изображениях - 1 см.............................................121

Рисунок 33. Оптические изображения работающих в светоизлучающем

режиме PeLEC структур в виде: а) эмблемы Алферовского университета

(Санкт-Петербург, Россия); b) эмблемы Университета ИТМО (Санкт-

Петербург, Россия); с) инвертированного дизайна кошки. Масштаб на всех

изображениях - 500 мкм.....................................................................................122

200

Рисунок 34. Сравнение а) стандартной конструкции гибкого PeLED и b)

разработанной конструкции PeLEC на основе мембраны GaP ННК/ПДМС 125

Рисунок 35. Схема процессирования гибкого PeLEC разработанной

конструкции на основе мембраны GaP ННК/ПДМС и СЭМ-изображения

поперечного сечения светоизлучающей структуры........................................128

Рисунок 36. СЭМ-изображения поперечного сечения мембраны n-GaP

ННК/ПДМС мембраны а) после инкапсуляции и b) после отделения от

ростовой Si подложки (на скрученной части мембраны отчётливо видны

основания ННК....................................................................................................129

Рисунок 37. Модель системы GaP ННК/CsPbBrs...................................131

Рисунок 38. Зонные диаграммы гетеропереходов n-GaP/CsPbBr3: а) в

состоянии равновесия и с) при приложенном напряжении 2.5 В; p-

GaP/CsPbBr3: b) в состоянии равновесия и d) при приложенном напряжении

2.5 В. Ec, E v, Fn и Fh обозначают дно зоны проводимости, потолок валентной

зоны и уровни Ферми для электронов и дырок, соответственно...................133

Рисунок 39. а) Типичная ВАХ: Total current - полный ток, протекающий

в структуре, Total non-elastic current - полный «неупругий» ток, Radiative

current - излучательный ток, SRH current - рекомбинационный ток по

механизму Шокли-Рид-Холла и b) карта скорости излучательной

рекомбинации PeLEC при приложенном напряжении 2.5 В. Диаметр ННК - 75

нм, плотность ННК 1 мкм-2, толщина перовскита 1 мкм. ННК внедрены в слой