Open Access

Mahmoud Mohamed Mohyeldin Mostafa Hassan

• In the last twenty years, there has been splendid progress in energy conversion technologies to have sustainable energy sources. For example, solar cells contribute significantly to energy production as the sun is an enormous source for renewable energy. Currently, the most common commercialized photovoltaic devices are silicon-based. The scientists' main targets are high efficiency, low cost, environmentally friendly, and easy to synthesize new semiconductor materials to replace silicon. Furthermore, understanding the photophysical properties of these materials is very important for designing high efficient photoconversion systems. This thesis investigates the photophysics of lead-based wide-bandgap perovskites with different dimensionality (2D, 3D) and how they can be optimized for optoelectronic applications. In chapter 1, we present the background and progress in perovskite research. The basic concepts of semiconductor and spectroscopic methods of the applied techniques in this work are discussed in chapter 2. In the first project (chapter 3.1), we used our time-resolved techniques to study the ultrafast dynamics of energy transfer from the inorganic to the organic layer in a series of three lead-based mixed-halide 2D perovskites containing benzyl ammonium (BA), 1-naphthyl methyl ammonium (NMA), and 1-pyrene methyl ammonium (PMA) thin films. In the second project (chapter 3.2), we used time-resolved spectroscopic techniques to study the effect of adding 5% of Cs on the dynamics of a mixed-cation wide bandgap bromide-based 3D perovskite. In another side project (chapter 4), we present the photophysics properties of newly synthesized new Schiff bases containing indole moieties using piperidine as an organic base catalyst and Au@TiO2 as a heterogeneous catalyst. Finally, the results of this work are summarized in Chapter 5 with an outlook and a discussion of open questions for further research.
• Diese kumulative Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der zeitaufgelösten Dynamik in verschiedenen Perowskiten und neu synthetisierten Schiffbasen, die für optoelektronische Anwendungen wie Solarzellen und LEDs interessant sein könnten. Die gängigen Solarzellen und LEDs basieren aufgrund ihrer hohen Effizienz und Stabilität auf anorganischen Materialien wie Silizium. Die hohen Kosten für die Verarbeitung von reinem kristallinem Silizium veranlassen Forschungsgruppen, nach kostengünstigen Kandidaten mit vergleichbarer Effizienz und Stabilität zu suchen. Seitdem wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zu 2D und 3D-Perowskiten für alternative Solarzellen und LEDs durchgeführt. Diese Perowskite könnten in naher Zukunft vielversprechende Ergebnisse als Ersatz für Silizium liefern, wenn einige Probleme, z. B. die Stabilität und die Verwendung von Blei, gelöst sind (siehe Kapitel 1). Im ersten Projekt (Ref. 1) wurde die Ein-Schritt-Spin-Coating-Methode angewandt, um hochwertige Dünnschichten aus 2D-Perowskiten mit verschiedenen Chromophoren (Benzyl, Naphthyl und Pyrenyl) herzustellen. Hier wurden die Energietransfereigenschaften und Relaxationswege mit Hilfe von UV-Vis-Absorptions-, PL-, TCSPC- und transienten Absorptionsspektroskopietechniken (fs-TAS) unter ähnlichen experimentellen Bedingungen untersucht. Die Wahl des Chromophors in der organischen Schicht und der Halogenidgehalt sind entscheidende Faktoren bei der Kontrolle der elektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen (2D) Materialien. Das Verständnis der Photophysik von 2D-Perowskit-Materialien ist für effiziente und stabile optoelektronische Geräte von großer Bedeutung. Diese Chromophore stellen drei verschiedene Energieniveauszenarien für die Studie dar. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Größe der aromatischen Spacer der verschiedenen Chromophore zu visualisieren und zu untersuchen. Daher haben wir den Halogenidanteil in der anorganischen Schicht in allen Perowskitfilmen auf Br (70 %) und I (30 %) festgelegt. Die Verwendung von großen Chromophoren in 2D-Bleihalogenid-Perowskiten als Abstandshalter zeigte erfolgreiche Energieübertragungssysteme. Wir beobachteten den exzitonischen Absorptionspeak der Bleihalogenidschicht in (BA)2Pb(Br0,7I0,3)4, (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 und (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 bei 402 nm, 417 nm bzw. 404 nm. In den Absorptionsspektren von (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 und (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 ist eine breite, rotverschobene Absorption zu erkennen, die auf Fallenzustände in beiden Proben zurückzuführen sein könnte. Das PL-Spektrum von (BA)2Pb(Br0,7I0,3)4 zeigt ein schmales exzitonisches Emissionsverhalten der anorganischen Bleihalogenidschicht. Das Emissionsspektrum von (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 besteht aus zwei Komponenten: (1) einem leicht rotverschobenen exzitonischen Peak bei 440 nm aus der anorganischen Schicht und (2) der Phosphoreszenz des Naphthylchromophors bei Raumtemperatur (eine strukturierte Emission mit Maxima bei 570 und 617 nm) aus der organischen Schicht. Das Emissionsspektrum von (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 stammt hauptsächlich aus der organischen Schicht und stellt die Fluoreszenz des Pyrenylchromophors dar. Wir haben TCSPC verwendet, um die Lebensdauern dieser Emissionen mit der Anregung bei 320 nm zu untersuchen. (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 (0,6 ns) und (BA)2Pb(Br0,7I0,3)4 (0,61 ns) haben Lebensdauer im Vergleich zu (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 (zwei Zerfallskomponenten 0,98 und 17 ns). In (BA)2Pb(Br0,7I0,3)4 steht die Lebensdauer von 0,61 ns für die Relaxation der Exzitonen von der anorganischen Schicht zum Grundzustand. In (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 wurden zwei verschiedene Bereiche gemessen (vor und nach 530 nm). Im ersten Bereich (Wellenlänge < 530 nm) stellt die Lebensdauer die Relaxation von der anorganischen Schicht zum Grundzustand dar. Im zweiten Bereich (Wellenlänge > 530 nm) stellt die Lebensdauer die Relaxation vom organischen Triplett-Zustand zum Grundzustand dar. Die PL-Transiente von (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 wurde gut mit einer bi-exponentiellen Kurve angepasst. Die schnelle Komponente (0,98 ns) wird verschiedenen Relaxationsprozessen zugeordnet, z. B. Singulett-Singulett-Annihilation in der organischen Schicht. Die langsamere Komponente (17 ns) steht für die Lebensdauer des Pyrenyl-Singlettzustands. Aus den UV-Vis-Absorptions-, Photolumineszenz- und TCSPC-Messungen geht eindeutig hervor, dass jeder Chromophor ein völlig anderes Verhalten aufweist. In (BA)2Pb(Br0,7I0,3)4 gibt es keine Wechselwirkung oder Energieübertragung zwischen den anorganischen und organischen Schichten, da die Singulett- und Triplett-Zustandsbanden des BA-Chromophors eine höhere Energie aufweisen als die Exzitonenbande. Bei (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 und (PMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 besteht jedoch eine starke Kopplung zwischen den Schichten. Bei (NMA)2Pb(Br0,7I0,3)4 liegt die exzitonische Bande energetisch zwischen der Singulett- und Triplett-Zustandsbande des NMA-Chromophors...