Defect passivation and surface modification of perovskite semiconductors play a key role in achieving highly efficient and stable perovskite solar cells (PSCs) and light-emitting diodes (LEDs). This dissertation describes three novel strategies for such defect passivation and surface modification. In the first strategy, we demonstrate a facile approach using inorganic perovskite quantum dots (QDs) to supply bulk- and surface-passivation agents to combine high power conversion efficiency (PCE) with high stability in CH3NH3PbI3 (MAPbI3) inverted PSCs. This strategy utilizes inorganic perovskite QDs to distribute elemental dopants uniformly across the MAPbI3 film and attach ligands to the film’s surface. Compared with pristine MAPbI3 films, MAPbI3 films processed with QDs show a reduction in tail states, smaller trap-state density, and an increase in carrier recombination lifetime. The strategy results in reduced voltage losses and an improvement in PCE from 18.3% to 21.5%, which is among the highest efficiencies for MAPbI3 devices. The devices maintain 80% of their initial PCE under 1-sun continuous illumination for 500 h and show improved thermal stability. In the second strategy, we reduce the efficiency gap between the inverted PSCs and regular PSCs using a trace amount of surface-anchoring, long-chain alkylamine ligands (AALs) as grain and interface modifiers. We show that long-chain AALs suppress nonradiative carrier recombination and improve the optoelectronic properties of mixed-cation mixed-halide perovskite films. These translate into a certified stabilized PCE of 22.3% (23.0% PCE for lab-measured champion devices). The devices operate for over 1000 hours at the maximum power point (MPP), under simulated AM1.5 illumination, without loss of efficiency. Finally, we report a strategy to passivate Cl vacancies in mixed halide perovskite (MHP) QDs using non-polar-solvent-soluble organic pseudohalide (n-dodecylammonium thiocyanate (DAT)), enabling blue MHP LEDs with enhanced efficiency. Density-function-theory calculations reveal that the thiocyanate (SCN-) groups fill in the Cl vacancies and remove deep electron traps within the bandgap. DAT-treated CsPb(BrxCl1-x)3 QDs exhibit near unity (~100%) photoluminescence quantum yields; and their blue (~470 nm) LEDs are spectrally stable with an external quantum efficiency (EQE) of 6.3% – a record for perovskite LEDs emitting at the 460-480 nm range relevant to Rec. 2020 display standards.

The emerging 2D materials are potential solutions to the scaling of electronic devices to smaller sizes with lower energy cost and faster computing speed. Unlike traditional semiconductors e.g. Si, Ge, 2D materials do not have surface dangling bonds and the short-channel effect. A wide variety of band structure is available for different functions. The aim of the thesis is to calculate the electronic structures of several important 2D materials and study their application in particular devices, using density functional theory (DFT) which provides robust results. The Schottky barrier height (SBH) is calculated for hexagonal nitrides. The SBH has a linear relationship with metal work function but the slope does not always equal because Fermi level pinning (FLP) arises. The chemical trend of FLP is investigated. Then we show that the pinning factor of Si can be tuned by inserting an oxide interlayer, which is important in the application to dopant-free Si solar cells. Apart from contact resistance, we want to improve the conductivity of the electrode. This can be done by using a physisorbed contact layer like FeCl3, AuCl3, and SbF5 etc. to dope the graphene without making the graphene pucker so these dopants do not degrade the graphene's carrier mobility. Then we consider the defect formation of 2D HfS2 and SnS2 which are candidates in the n-type part of a tunnel FET. We found that these two materials have high mobility but there are also intrinsic defects including the S vacancy, S interstitial, and Hf/Sn interstitial. Finally, we study how to make defect states chemically inactive, namely passivation. The S vacancy is the most important defect in mechanically exfoliated 2D MoS2. We found that in the most successful superacid bis(trifluoromethane) sulfonamide (TFSI) treatment, H is the passivation agent. A symmetric adsorption geometry of 3H in the -1 charge state can remove all gap states and return the Fermi level to the midgap.

Photovoltaics offers a unique solution to energy and environmental problems simultaneously. However, widespread application of photovoltaics will not be realized until costs are reduced by about a factor of four without sacrificing performance. Silicon crystallization and wafering account for about 55% of the photovoltaic module manufacturing cost, but can be reduced significantly if a ribbon silicon material, such as String Ribbon Si, is used as an alternative to cast Si. However, the growth of String Ribbon leads to a high density of electrically active bulk defects that limit the minority carrier lifetime and solar cell performance. The research tasks of this thesis focus on the understanding, development, and implementation of defect passivation techniques to increase the bulk carrier lifetime in String Ribbon Si in order to enhance solar cell efficiency. Hydrogen passivation of defects in Si can be performed during solar cell processing by utilizing the hydrogen available during plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of SiNx:H films. It is shown in this thesis that hydrogen passivation of defects during the simultaneous anneal of a screen-printed Al layer on the back and a PECVD SiNx:H film increases the bulk lifetime in String Ribbon by more than 30 ?A three step physical model is proposed to explain the hydrogen defect passivation. Appropriate implementation of the Al-enhanced defect passivation treatment leads to String Ribbon solar cell efficiencies as high as 14.7%. Further enhancement of bulk lifetime up to 92 ?s achieved through in-situ NH3 plasma pretreatment and low-frequency (LF) plasma excitation during SiNx:H deposition followed by a rapid thermal anneal (RTA). Development of an optimized two-step RTA firing cycle for hydrogen passivation, the formation of an Al-doped back surface field, and screen-printed contact firing results in solar cell efficiencies as high as 15.6%. In the final task of this thesis, a rapid thermal treatment performed in a conveyer belt furnace is developed to achieve a peak efficiency of 15.9% with a bulk lifetime of 140 ?Simulations of further solar cell efficiency enhancement up to 17-18% are presented to provide guidance for future research.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.