Ανάπτυξη υβριδικών περοβσκιτών και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις τρίτης γενιάς

Abstract

In the present study, hybrid halogenated perovskites and their application to photovoltaic devices are investigated. Perovskites exhibit optoelectronic properties that make them ideal candidates for exploitation in devices for converting solar energy into electricity. The choice of the elements that are used for the synthesis of the perovskite and the method of its deposition significantly affect the operation of photovoltaic devices. Despite the rapid development of perovskite solar cells, the instability they present has prevented their commercialization. The main problem is the sensitivity they show when exposed to environmental conditions i.e., humidity and oxygen. The degradation of the perovskite is also due to high temperatures and continuous illumination of the material. The result is the decomposition of the perovskite into undesired byproducts (e.g., PbI2). Also, the possible presence of defects during the deposition of the perovskite accelerates its degradation. Motivated by solving the problem of instability of perovskite photovoltaic devices, the study focuses on techniques and methods in this direction. Starting from the selection of a stable perovskite (CsFAMAPbI3-xBrx) with three-dimensional structure of the ABX3 stoichiometry and its application to a mesoporous device, mechanisms were sought to protect the perovskite from the influence of the environment and reduce structural defects during the process of its deposition. In short, the effect of the interface engineering between the electron transport material and the perovskite, as well as between the perovskite and the hole transport material, was studied. The modification of the interfaces in perovskite solar cells using hydrophobic materials, significantly improves their stability and their overall photovoltaic performance. Based on this, the effect of dimensionality engineering was investigated, creating photovoltaic devices with 3D/1D structures. The composition of the new one-dimensional perovskite HMImPbI3 and its application to solar cells, led to excellent results, in terms of the stability of the devices primarily, but also in the overall photovoltaic performance of the devices secondarily. The research then focuses on the implementation of this technique (dimensionality engineering) in perovskite solar cells based on tin, (B = Sn) thanks to its lower toxicity than Pb. The tin oxidizes from Sn2+ to Sn4+ due to the presence of oxygen, resulting in the cessation of the operation of these devices, due to the rapid degradation of the perovskite. The formation of the 3D/1D structure significantly improved the crystallinity of the perovskite thin film, laying the foundations for the creation of devices with increased stability.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται οι υβριδικοί αλογονούχοι περοβσκίτες και η εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Οι περοβσκίτες παρουσιάζουν οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες που τους κάνουν ιδανικούς υποψήφιους προς εκμετάλλευση σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η επιλογή των στοιχείων τα οποία συνθέτουν το περοβσκιτικό υλικό καθώς και η μέθοδος της σύνθεσής του επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Παρά τη ραγδαία ανάπτυξη των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η αστάθεια που παρουσιάζουν σε βάθος χρόνου έχει αποτρέψει την εμπορευματοποίησή τους. Η κύρια αιτία του προβλήματος είναι η ευαισθησία που επιδεικνύουν κατά την έκθεσή τους σε συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή υγρασίας και οξυγόνου. Η αποδόμηση του περοβσκιτικού υλικού συναντάται επίσης και σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και συνεχόμενης ακτινοβόλησης του υλικού. Αποτέλεσμα αυτών είναι η διάσπαση της δομής του περοβσκιτικού κρυστάλλου και η δημιουργία ανεπιθύμητων υποπροϊόντων (π.χ. PbI2). Επίσης η πιθανή παρουσία κρυσταλλικών ατελειών κατά τη σύνθεση του περοβσκίτη επιταχύνει την αποδόμηση του υλικού. Παρακινούμενη, από την επίλυση του προβλήματος της αστάθειας των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η εργασία εστιάζει σε τεχνικές και μεθόδους προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ξεκινώντας από την επιλογή ενός σταθερού περοβσκιτικού υλικού (CsFAMAPbI3-xBrx) με τρισδιάστατη δομή και στοιχειομετρία τύπου ΑΒΧ3 και την εφαρμογή του σε μία μεσοπορώδη φωτοβολταϊκή διάταξη, αναζητήθηκαν μηχανισμοί προστασίας του περοβσκιτικού υλικού από την επίδραση του περιβάλλοντος και μείωσης των δομικών ατελειών κατά τη διαδικασία της σύνθεσής του. Εν ολίγοις, μελετήθηκε η επίδραση της μηχανικής της διεπιφάνειας ανάμεσα στο υλικό μεταφοράς των ηλεκτρονίων και τον περοβσκίτη, καθώς και ανάμεσα στον περοβσκίτη και το υλικό μεταφοράς των οπών. Η τροποποίηση των διεπιφανειών σε μία περοβσκιτική φωτοβολταϊκή διάταξη με τη χρήση υδρόφοβων υλικών, βελτιώνει αισθητά την σταθερότητά τους στον χρόνο αλλά και τη συνολική φωτοβολταϊκή τους λειτουργία. Βάσει αυτού, διερευνήθηκε η επίδραση της διαστατικής μηχανικής, δημιουργώντας φωτοβολταϊκές διατάξεις με 3D/1D δομές. Η σύνθεση του νέου μονοδιάστατου περοβσκίτη HMImPbI3 και η εφαρμογή του στις φωτοβολταϊκές διατάξεις, οδήγησε σε εξαιρετικά αποτελέσματα, όσον αφορά στη σταθερότητα των διατάξεων στον χρόνο πρωτίστως, αλλά και στη συνολική φωτοβολταϊκή λειτουργία των διατάξεων δευτερευόντως. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζει στην εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής (διαστατική μηχανική) σε περοβσκιτικές φωτοβολταϊκές διατάξεις με βάση τον κασσίτερο, (B = Sn) χάριν της χαμηλότερης τοξικότητας από τον μόλυβδο. Ο κασσίτερος οξειδώνεται από Sn2+ σε Sn4+ λόγω της παρουσίας του οξυγόνου, με αποτέλεσμα την παύση της λειτουργίας των εν λόγω διατάξεων, εξαιτίας της γρήγορης αποδόμησης του περοβσκιτικού υλικού. Η δημιουργία της 3D/1D δομής βελτίωσε αισθητά την κρυσταλλικότητα του λεπτού υμενίου περοβσκίτη, θέτοντας τις βάσεις για την δημιουργία διατάξεων με αυξημένη σταθερότητα στον χρόνο.