Halide perovskite solar cells and heterostructures

Abstract

Halide perovskites semiconductors are in the spotlight of modern research, exceling in many fields of optoelectronics, with the major attention drawn in solar cell applications, due to their exceptional solar cell performance. However, there are several hurdles that the perovskite solar cells need to overcome, such as their limited long-term stability, which constitutes the main obstacle for the commercialization of this promising photovoltaics technology. In this dissertation, we deal with the fabrication of single-junction perovskite solar cell devices with the aim to improve the stability of photovoltaic devices at ambient conditions. Perovskite solar cells were fabricated using different fabrication thin-film deposition techniques, with a major focus on the two-step immersion method. The optimum perovskite films, achieved under ambient conditions, show an enhancement of the devices towards environmental stability and photostability. However, the photovoltaic conversion efficiency (PCE) of the devices remains low, as a result of interface resistance which limits the photo-generated carriers’ extraction. Attempting to overcome this barrier, and in order to obtain better charge-transport characteristics, we have switched to an alternative charge-transport layer by introducing GaAs instead of TiO2, used as an ETL layer. Thus, a major part of this work relates to the fabrication of hybrid perovskite/GaAs nanowire heterostructures. In this direction, we have successfully managed to fabricate hybrid perovskite/GaAs nanowire diodes with promising I-V characteristics, following a suitable n+-type doping of the GaAs nanowire ETL layer. These devices showed up a measurable photo-response when illuminated, but did not produce a competitive photocurrent value at this point. We attribute the observed loss of current in the current architecture design, which does not permit the full illumination of the active area of the device. Future directions include the use of Transparent Conducting Oxide (TCO) materials as top electrodes, or the improvement of the structural design of the device to enable effective illumination of the active area of the solar cell. The present Thesis, represents a new direction in the development of perovskite-based solar cells and draws several important conclusions concerning the interfacing of halide perovskites with non-oxidic based heterojunctions. Since, the vast majority of the experimental work was performed at ambient conditions, the perovskite stability assessment presented here, could be instructive for addressing the long-term stability problem of halide perovskite semiconductors.

Οι ημιαγωγοί περοβσκιτών αλογόνου βρίσκονται στο επίκεντρο την έρευνας σήμερα, βρίσκοντας πεδίο εφαρμογής σε πολλές περιοχές της οπτοηλεκτρονικής, με το κυρίαρχο ενδιαφέρον να εστιάζεται σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές, εξαιτίας της εξαιρετικά υψηλής απόδοσης που παρουσιάζουν. Όμως, τα περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν περιορισμένη σταθερότητα, που αποτελεί εμπόδιο για την εμπορευματοποίησή τους. Στην παρούσα διατριβή, κατασκευάστηκαν περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά μονής επαφής, με στόχο τη βελτίωση της σταθερότητας των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Για το σκοπό αυτό, κατασκευάστηκαν περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά υπό συνθήκες περιβάλλοντος, χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές εναπόθεσης λεπτών-υμενίων του περοβσκιτικού στρώματος, οι οποίες εστιάστηκαν, τελικά, στη μέθοδο δύο σταδίων. Με την μέθοδο αυτή, μια βελτιωμένη εναπόθεση του περοβσκιτικού στρώματος επιτεύχθηκε υπό συνθήκες περιβάλλοντος, κατά την οποία τα περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά παρουσίασαν εξαιρετική περιβαλλοντική σταθερότητα και φωτοσταθερότητα. Όμως, η φωτοβολταϊκή απόδοση των διατάξεων ήταν χαμηλή, ως αποτέλεσμα της μεγάλης σειριακής αντίστασης στις διεπιφάνειες των στρωμάτων, που περιόρισε την αποτελεσματική εξαγωγή των φωτοπαραγόμενων φορέων. Σε μια προσπάθεια να διορθώσουμε αυτό το πρόβλημα, και με στόχο να βελτιώσουμε τα χαρακτηριστικά μεταφοράς φορτίου των διατάξεων, χρησιμοποιήσαμε το GaAs σας στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Έτσι, ένα κύριο μέρος της δουλειάς σχετίζεται με την κατασκευή υβριδικών ετεροδομών περοβσκίτη/νανονημάτων GaAs. Σε αυτήν την κατεύθυνση, κατασκευάστηκαν επιτυχώς διοδικές διατάξεις υβριδικών δομών περοβσκίτη/νανονημάτων GaAs, που παρουσίασαν βελτιωμένα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, μετά από κατάλληλο ντοπάρισμα (n-τύπου) των νανονημάτων GaAs. Οι εν λόγω διατάξεις παρουσίασαν μετρήσιμη φωτο-απόκριση υπό συνθήκες φωτισμού, παρόλο που αυτή της στιγμή τα αποτελέσματα δεν είναι ανταγωνιστικά. Αποδίδουμε την παρατηρούμενη απώλεια φωτορεύματος, στην αρχιτεκτονική της φωτοβολταϊκής διάταξης, η οποία δεν επιτρέπει τον επαρκή φωτισμό της ενεργού περιοχής της διάταξης. Μελλοντικές κατευθύνσεις για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα αφορούν την χρήση διαφανών αγώγιμων οξειδίων σαν επάνω ηλεκτρόδιο, καθώς και μια αναθεώρηση της συνολικής αρχιτεκτονικής της διάταξης, ώστε να είναι εφικτός ο επαρκής φωτισμός της ενεργού περιοχής. Κλείνοντας, η παρούσα Διατριβή αποτελεί μια νέα κατεύθυνση στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών διατάξεων περοβσκίτη και εξάγει συμπεράσματα σχετικά με τη συμπεριφορά των διεπιφανειών μεταξύ των περοβσκιτών και των μη-οξειδικών ετεροδομών. Καθώς το μεγαλύτερο μέρος των πειραμάτων έγινε σε συνθήκες περιβάλλοντος, χρήσιμα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν για την σταθερότητα των περοβσκιτών αλογόνου, που ενδεχομένως μπορεί να συνεισφέρει στην επίλυση του προβλήματος της μακροχρόνιας σταθερότητας των περοβσκιτών αλογόνου.