Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ηλιακών κυττάρων απο περοβσκίτη σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες

Abstract

This doctoral dissertation presents the study of the development and characterization energy conversion devices, based on semiconductors under ambient conditions. More specifically, the PhD research focuses on the construction of the 3rd generation solar cells and particularly on perovskite solar cells (PSCs), where the perovskite of the methylammonium lead triiodide (CH3NH3PbI3) was used as the sensitizer on the conventional mesoporous structure n-i-p, without the use of the hole transporting layer (HTL-Free), with the carbon layer as the counter electrode. Initially, the chapter 1 includes the basic concepts of operation of photovoltaic devices. Subsequently, all the photovoltaic technologies are mentioned, with special focus on the perovskite solar cells, and finally, a brief review is carried out to the global market of photovoltaics. Afterwards, the chapter 2 is focused on perovskite solar cells. Essentially, there are pivotal concepts including: the crystal structure of perovskites, the basic principles of operation of perovskite solar cells (i.e., how charge carriers are created, transported, and exported for the normal function of the photovoltaic device) and the different structures of solar cells that it is possible to be constructed. Likewise, a brief bibliographic review is carried out, which concerns the evolution (percentages of yield and the use of different materials) of conventional perovskite solar cells up to now. In addition, the perovskite solution deposition techniques are perused, and a brief description is carried out about the concept of the band gap of the semiconductors (perovskites) and the restriction of the efficiency proportions of the photovoltaic devices. However, exceptional significance is given to the stability issues of these photovoltaic devices, wherever the main issue is observed at high humidity conditions and relates the perovskite layer, the hole transporting layer and the counter electrode. Finally, special significance is given to the carbon-based solar cells and an extensive review is carried out to the subject of the present dissertation. Subsequently, in the 3rd chapter a bibliographic review is carried out, which related with the carbon-based perovskite solar cells. However, certain attention is paid to the materials of which the carbon electrode is composed (i.e. graphite, carbon black, graphene, and carbon nanotubes). Afterwards, the two principal structures of carbon-based photovoltaic devices (arrangement of layers of which the photovoltaic device is constituted) and their advantages are presented. However, the utilize of these structures provides the key to solve the problem of their stability in ambient conditions 7 over time (i.e., through the replacement of the metal electrode with the carbon electrode). Finally, research focuses on the utilize of low temperature carbon, describing their advantages, synthesis methods and methods of depositing them. In the chapter 4 was enumerated all the materials that were used for the present research, the methodology of synthesis and construction of the solar cells. The methods, which were used for the characterization of the perovskite layer were the Scanning Electron Microscopy (SEM), the X-Ray Diffraction (XRD), the UV-VISIBLE Spectroscopy (Uv-Vis), and the Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The characterization techniques for the solar cells, were the Current Density-Voltage (J-V) measurements, the Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) and the Electrochemical Impedance Spectroscopy. So far, the basic principles of the theoretical background of the present research work have been analyzed. The following chapters, i.e., the 5th chapter, the 6th chapter, and the 7th chapter, concerned with the results that have been obtained in the doctoral dissertation. More specifically, in the chapter 5 there is an extensive report on the modification of the solution of lead methylammonium iodide (CH3NH3PbI3) using two new amino acids iodide, namely the amino acid 4-amino-methylpentanoic acid iodide (LEUI) and the amino acid 2-amino-propanoic acid iodide (ALAI) compared to the widely used amino acid the 5-amino valeric acid iodide. Consequently, the perovskites that have been synthesized were (5AVA) x(MA)1-xPbI3 (reference), (LEU)x (MA)1-x PbI3 and ALA x (MA)1-xPbI3 and the high temperature carbon based structure was used. Essentially, they were used to partially replace the organic MAI molecule, with the aim of improving the stability of photovoltaic devices. In particular, substantial and superior stability of photovoltaic devices was estimated with the use of perovskite (LEU)x (MA)1-x PbI3 at the percentage of 26%, in terms of their overall efficiency, with fixed almost all electrical parameters (the short circuit current (ISC), the open circuit voltage (VOC), the filling factor (FF)) compared to the widely used amino acid 5-AVAI. The chapter 6 handles with the evaluation of the effect of the dripping temperature of the perovskite solution (CH3NH3PbI3) on perovskite solar cells, applying the low temperature carbon in ambient conditions. The temperature range measured was: -20°C, 20°C, 40°C, 60°C, 80°C and 100°C. According to the results of this research, the optimum deposition temperature was found to be 60°C. In addition, the chapter 7 refers to the detailed research and the direct comparison of the Spin-coating technique with the Inkjet printing technique, which concerns the deposition of the perovskite layer, based on the low-temperature carbon electrode. Virtually, the main differences between these two deposition methods were studied. In conclusion, the chapter 8 involves the dominant conclusions of the present doctoral dissertation and proposals for future research essays

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό των διατάξεων μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκών συσκευών), με τη χρήση ημιαγωγών σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες. Αναλυτικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων 3ης γενιάς και συγκεκριμένα στις ηλιακές κυψελίδες περοβσκιτών (PSCs), όπου ως ευαισθητοποιητής χρησιμοποιείται ο περοβσκίτης του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μόλυβδου (methylammonium lead triiodide,CH3NH3PbI3) και η κατασκευή των φωτοβολταϊκών συσκευών βασίζεται στη συμβατική μεσοπορώδη δομή της μορφής n-i-p, χωρίς τη χρήση του στρώματος συλλογής οπών (HTL-Free) με τη χρήση του άνθρακα (carbon-based) ως το αντίθετο ηλεκτρόδιο (CE). Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο εμπεριέχονται οι βασικές έννοιες λειτουργίας των φωτοβολταϊκών συσκευών. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά όλων των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ηλιακά κύτταρα των περοβσκιτών, και τέλος γίνεται μια σύντομη αναφορά στην παγκόσμια αγορά των φωτοβολταϊκών. Ακολούθως, το 2ο κεφάλαιο εστιάζεται στα ηλιακά κύτταρα των περοβσκιτών. Ουσιαστικά, υπεισέρχονται βασικές έννοιες όπως είναι: η κρυσταλλική δομή των περοβσκιτών, οι βασικές αρχές λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων περοβσκιτών (δηλαδή πως δημιουργούνται, μεταφέρονται και εξάγονται οι φορείς φορτίου για την ομαλή λειτουργία της φωτοβολταϊκής συσκευής) και οι διαφορετικές δομές των ηλιακών κυττάρων που είναι εφικτό να κατασκευαστούν. Επίσης, πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική αναφορά, η οποία αφορά την εξέλιξη (ποσοστά αποδόσεων και η χρήση διαφορετικών υλικών) των συμβατικών ηλιακών κυψελίδων περοβσκίτη μέχρι και σήμερα. Επιπροσθέτως, αναλύονται οι τεχνικές εναπόθεσης του διαλύματος περοβσκίτη και πραγματοποιείται μια σύντομη περιγραφή στην έννοια του ενεργειακού χάσματος των ημιαγωγών (περοβσκίτες) και του περιορισμού των ποσοστών απόδοσης αυτών των φωτοβολταϊκών συσκευών. Ωστόσο, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα ζητήματα σταθερότητας αυτών των φωτοβολταϊκών συσκευών, όπου το βασικό πρόβλημα εντοπίζεται στις συνθήκες υψηλής υγρασίας και αφορά το υπόστρωμα του περοβσκίτη, το στρώμα συλλογής οπών (HTL) και το αντίθετο ηλεκτρόδιο (CE). Τέλος, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στις ηλιακές κυψελίδες με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (carbon-based) και πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στο αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Εν συνεχεία, στο 3ο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση, η οποία αφορά τα ηλιακά κύτταρα περοβσκιτών με βάση τη χρήση του ηλεκτροδίου του άνθρακα (CB PSCs). Αναλυτικότερα, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα υλικά από τα οποία αποτελείται το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (δηλαδή τον γραφίτη, το μαύρο άνθρακα, το γραφένιο και τους νανοσωλήνες άνθρακα). Ακολούθως, παρουσιάζονται οι δυο βασικές δομές των φωτοβολταϊκών συσκευών με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (αλληλουχία των στρωμάτων που απαρτίζουν τη φωτοβολταϊκή συσκευή), καθώς και τα πλεονεκτήματα αυτών. Ωστόσο, η χρήση αυτών των δομών δίνει τη λύση του προβλήματος που έγκειται στη σταθερότητα αυτών στο περιβάλλον με το πέρας του χρόνου (δηλαδή μέσω της αντικατάσταση του ηλεκτροδίου του μετάλλου με το ηλεκτρόδιο του άνθρακα). Τέλος, η έρευνα επικεντρώνεται στη χρήση του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB), περιγράφοντας τα πλεονεκτήματα αυτών, τις μεθόδους σύνθεσης και του τρόπους εναπόθεσης τους. Στο 4ο κεφάλαιο παρατίθενται όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα ερευνητική μελέτη και η μεθοδολογία σύνθεσης και κατασκευής των ηλιακών κυψελίδων. Επίσης, αναφέρονται οι μέθοδοι χαρακτηρισμού του στρώματος περοβσκίτη, οι οποίες είναι η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD), η φασματοσκοπία υπεριώδους ορατού (UV-Vis) και η φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού των ηλιακών κυττάρων περοβσκιτών, οι οποίες είναι οι μετρήσεις καμπύλης ρεύματος-τάσης (J-V), η απόδοση του προσπίπτοντος φωτονίου (IPCE) και η φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS). Μέχρι τώρα, αναλύθηκε το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο της παρούσας ερευνητικής εργασίας. Τα επόμενα κεφάλαια δηλαδή το 5ο κεφάλαιο, το 6ο κεφάλαιο και το 7ο κεφάλαιο, πραγματεύονται τα αποτελέσματα που εξάχθηκαν στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή. Αναλυτικότερα, στο 5ο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στην τροποποίηση του διαλύματος του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μολύβδου (CH3NH3PbI3) με τη χρήση δυο νέων αμινοξέων, δηλαδή του αμινοξέος 4-αμινο μεθυλοπεντανοϊκού ιωδιούχου οξέος (LEUI) και του αμινοξέος 2-αμινο-προπανοϊκού ιωδιούχου οξέος (ALAI) σε σύγκριση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο αμινοξύ του 5- αμινοβαλερικού ιωδιούχου οξέος (5AVAI). Επομένως, οι περοβσκίτες που συντέθηκαν ήταν ο 5(AVA)x(MA)1-xPbI3 (αναφορά), ο (LEU)x(MA)1- xPbI3 και ο ALAx (MA)1-xPbI3 και χρησιμοποιήθηκε η δομή του άνθρακα υψηλών θερμοκρασιών (HTCB). Ουσιαστικά, η χρήση αυτών πραγματοποιήθηκε για τη μερική αντικατάσταση του οργανικού μορίου του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου (ΜΑΙ), με στόχο τη βελτίωση της σταθερότητας των φωτοβολταϊκών συσκευών σε συνθήκες περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, η μεγαλύτερη και καλύτερη σταθερότητα των φωτοβολταϊκών συσκευών επετεύχθη με τη χρήση του περοβσκίτη (LEU)x(MA)1-xPbI3 σε ποσοστό 26% , όσον αφορά τη συνολική τους απόδοση, με σχεδόν σταθερές όλες τις ηλεκτρικές παραμέτρους (η πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης (ISC), η τάση ανοιχτού κυκλώματος (VOC) και παράγοντας πλήρωσης (FF)) σε σύγκριση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο αμινοξύ 5-AVAI. Το 6ο κεφάλαιο αφορά τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας εναπόθεσης του διαλύματος του περοβσκίτη CH3NH3PbI3 στα ηλιακά κύτταρα περοβσκιτών, με τη χρήση ηλεκτροδίου του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB) σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι θερμοκρασίες που εξετάστηκαν ήταν οι εξής: -20°C, 20°C, 40°C, 60°C, 80°C και 100°C. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης η βέλτιστη θερμοκρασίας εναπόθεσης βρέθηκε να είναι οι 60°C, με αποδόσεις της τάξης του 10%. Επιπροσθέτως, το 7ο κεφάλαιο αναφέρεται στην αναλυτική μελέτη και στην άμεση σύγκριση της τεχνικής εναπόθεσης μέσω περιστροφής ενός σταδίου (spin-coating) με την τεχνική εκτύπωσης με ψεκασμό μελάνης (inkjet-printing) , η οποία αφορά την εναπόθεση του στρώματος περοβσκίτη, με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB). Πρακτικά, μελετήθηκαν οι βασικές διαφορές που προέκυψαν μεταξύ αυτών των δυο μεθόδων εναπόθεσης. Εν κατακλείδι, το 8ο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής και τις προτάσεις για μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες.