Interface design and characterization for stable inorganic perovskite solar cells

Grenzflächendesign und- charakterisierung für stabile anorganische Perowskit-Solarzellen

  • We live in an era driven by fossil fuels. The prevailing climate change suggests that we have to significantly reduce greenhouse gas emissions. The only way forward is to use renewable energy sources. Among those, solar energy is a clean, affordable, and sustainable source of energy. It has the potential to satisfy the world’s energy demand in the future. However, there is a need to develop new materials that can make solar energy usable. Photovoltaics (PV) are devices that convert photon energy into electrical energy. The most commonly used solar cells are based on crystalline silicon. However, the fabrication process for silicon solar cells is technologically difficult and costly. Solar cells based on lead halide perovskites (PSCs) have emerged as a new candidate for PV applications since 2009. To date, PSCs have achieved 26% power-conversion-efficiency (PCE) for its single junction, and 33.7% PCE for tandem junction devices. However, there is still room for improvement in overall performance. The main challenge for theWe live in an era driven by fossil fuels. The prevailing climate change suggests that we have to significantly reduce greenhouse gas emissions. The only way forward is to use renewable energy sources. Among those, solar energy is a clean, affordable, and sustainable source of energy. It has the potential to satisfy the world’s energy demand in the future. However, there is a need to develop new materials that can make solar energy usable. Photovoltaics (PV) are devices that convert photon energy into electrical energy. The most commonly used solar cells are based on crystalline silicon. However, the fabrication process for silicon solar cells is technologically difficult and costly. Solar cells based on lead halide perovskites (PSCs) have emerged as a new candidate for PV applications since 2009. To date, PSCs have achieved 26% power-conversion-efficiency (PCE) for its single junction, and 33.7% PCE for tandem junction devices. However, there is still room for improvement in overall performance. The main challenge for the commercialization of this technology is the stability of the solar cells under operational conditions. Inorganic perovskite CsPbI3 has attracted researchers’ interest due to its stability at elevated temperatures, however, inorganic perovskites also have associated challenges, e.g. phase stability, larger voltage loss compared to their organic-inorganic hybrid counterparts, and interface energy misalignment. The most efficient inorganic perovskite solar cell is stable for up to a few hundred hours while the most stable device in the field of inorganic PSCs reported so far is at 17% PCE. This suggests the need for improvement of the interfaces for enhanced open circuit voltage (VOC), and optimization of the energy alignment at the interfaces. This dissertation presents the study on interfaces between the perovskite layer and hole transport layer (HTL) for stable CsPbI3 solar cells. The first part of the thesis presents an investigation of the CsPbI3 film annealing environment and its subsequent effects on the perovskite/HTL interface dynamics. Thin films annealed in dry air were compared with thin films annealed in ambient air. Synchrotron-based hard X-ray spectroscopy (HAXPES) measurements reveal that annealing in ambient air does not have an adverse effect; instead, those samples undergo surface band bending. This surface band modification induces changes in interface charge dynamics and, consequently, an improvement in charge extraction at the interfaces. Further, transient surface photovoltage (tr-SPV) simulations show that air-annealed samples exhibit fewer trap states compared to samples annealed in dry air. Finally, by annealing the CsPbI3 films in ambient air, a PCE of 19.8% and Voc of 1.23 V were achieved for an n-i-p structured device. Interface engineering has emerged as a strategy to extract the charge and optimize the energy alignment in perovskite solar cells (PSCs). An interface with fewer trap states and energy band levels closer to the selective contact helps to attain improved efficiencies in PSCs. The second part of the thesis presents a design for the CsPbI3/HTM interface. In this work, an interface between CsPbI3 perovskite and its hole selective contact N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis(4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi[9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramine(Spiro-OMeTAD), realized by trioctylphosphine oxide (TOPO), a dipole molecule is introduced. On top of a perovskite film well-passivated by n-octyl ammonium Iodide (OAI), it created an upward surface band-bending at the interface byTOPO that optimizes energy level alignment and enhances the extraction of holes from the perovskite layer to the hole transport material. Consequently, a Voc of 1.2 V and high-power conversion efficiency (PCE) of over 19% were achieved for inorganic CsPbI3 perovskite solar cells. In addition, the work also sheds light on the interfacial charge-selectivity and the long-term stability of CsPbI3 perovskite solar cells. The third part of the thesis extends the previous studies to polymeric poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as HTL. The CsPbI3/P3HT interface is critical due to high non-radiative recombination. This work presents a CsPbI3/P3HT interface modified with a long-chain alkyl halide molecule, n-hexyl trimethyl ammonium bromide (HTAB). This molecule largely passivates the CsPbI3 perovskite surface and improves the charge extraction across the interface. Consequently, a Voc of over 1.00 V and 14.2% PCE were achieved for CsPbI3 with P3HT as HTM. Overall the results presented in this dissertation introduce and discuss methods to design and study the interfaces in CsPbI3-based solar cells. This study can pave the way for novel interface designs between CsPbI3 and HTM for charge extraction, efficiency and stability.show moreshow less
  • Wir leben in einem Zeitalter, das von fossilen Brennstoffen geprägt ist. Der fortschreitende Klimawandel erfordert eine merkliche Reduktion der Treibhausgasemissionen. Der einzige Weg hin zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist die Implementierung erneuerbarer Energiequellen. Solarenergie hat das Potential, den Energiebedarf der Welt langfristig auf saubere und kostengünstige Weise zu decken. Es müssen jedoch neue Materialien zur Marktreife entwickelt werden, die die Solarenergie nutzbar machen können. In der Photovoltaik (PV) wird Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die gängisten Solarzellen aus kristallinem Silizium bestehen. Die Herstellung von Silizium-Solarzellen ist jedoch technisch aufwending und kostspielig. Deshalb haben sich Solarzellen auf Basis von Bleihalogenid-Perowskiten (engl. perovskite solar cells, PSCs) seit 2009 als mögliche Alternative zur Siliziumtechnologie entwickelt. Bisweilen konnten Wirkungsgrade (engl. power conversion efficiency, PCE) von 26% in einem einzelnen Halbleiterübergang undWir leben in einem Zeitalter, das von fossilen Brennstoffen geprägt ist. Der fortschreitende Klimawandel erfordert eine merkliche Reduktion der Treibhausgasemissionen. Der einzige Weg hin zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist die Implementierung erneuerbarer Energiequellen. Solarenergie hat das Potential, den Energiebedarf der Welt langfristig auf saubere und kostengünstige Weise zu decken. Es müssen jedoch neue Materialien zur Marktreife entwickelt werden, die die Solarenergie nutzbar machen können. In der Photovoltaik (PV) wird Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die gängisten Solarzellen aus kristallinem Silizium bestehen. Die Herstellung von Silizium-Solarzellen ist jedoch technisch aufwending und kostspielig. Deshalb haben sich Solarzellen auf Basis von Bleihalogenid-Perowskiten (engl. perovskite solar cells, PSCs) seit 2009 als mögliche Alternative zur Siliziumtechnologie entwickelt. Bisweilen konnten Wirkungsgrade (engl. power conversion efficiency, PCE) von 26% in einem einzelnen Halbleiterübergang und von 33.7% in einem Tandemübergang erzielt werden. Diese Werte sind jedoch steigerbar und werden regelmäßig übertroffen. Die größte Herausfoderung für die Entwicklung dieser Technologie ist die Stabilität der Solarzellen unter Betriebsbedingungen. Der anorganische Perowskit CsPbI3 ist aufgrund seiner Stabilität bei hohen Temperaturen deshalb besonders interessant für die Forschung, obwohl das Material seine eigenen Herausforderungen birgt, wie zum Beispiel seine Phaseninstabilität, größere Leerlaufspannungsverluste im Vergleich zu seinen organisch-anorganisch-hybriden Analoga und Fehlaurichtung der Energiebänder an der Grenzfläche. Die Stabilität der effizientesten Solarzelle auf CsPbI3-Basis liegt bei einigen hundert Stunden, während die stabilste Solarzelle einen Wirkungsgrad von nunmehr 17% erzielt. Dies deutet auf die Notwendigkeit hin, die Grenzflächen zu den angrenzenden ladungsselektiven Kontakten zu verbessern – mit dem Ziel, die Leerlaufspannung (engl. open-circuit voltage, VOC) zu erhöhen und die Ausrichtung der Energiebänder an den Grenzflächen zu optimieren. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der Grenzflächen zwischen der Perowskitschicht und der Lochtransportschicht (engl. hole transport layer, HTL) für stabile CsPbI3-Solarzellen. Im ersten Teil der Arbeit werden die Temperbedingungen für CsPbI3-Dünnfilme und ihre Auswirkungen auf die Ladungsträgerdynamik an der Perowskit/HTL-Grenzfläche untersucht. Dünnfilme, die in trockener Atmosphäre getempert wurden, wurden mit Dünnfilmen verglichen, die in Standardatmosphäre getempert wurden. Synchrotrongestützte Messungen der Photoelektronenspektroskopie mit harter Röntgenstrahlung (engl. hard X-ray photoelectron spectrpscopy, HAXPES) zeigen, dass das Tempern in Umgebungsluft keine nachteiligen Auswirkungen hat; stattdessen erfahren jene Proben eine Verbiegung der Energiebänder an der Oberfläche. Diese Modifikation der Oberflächenbänder führt zu Veränderungen in der Grenzflächenladungsdynamik und in der Folge zu einer Verbesserung der Ladungsträgerextraktion über die Grenzfläche. Darüber hinaus zeigen Simulationen der transienten Oberflächenphotospannung (engl. transient surface photovoltage, trSPV), dass luftgetemperte Proben im Vergleich zu trockengetemperten Proben weniger Fallenzustände aufweisen. Letztlich wurde durch das Tempern der CsPbI3-Filme in Umgebungsluft eine PCE von 19,8% und ein VOC von 1,23 V für eine Solarzelle in n-i-p-Architektur erreicht. Die Manipulation der Grenzflächen ist eine Strategie, um die Extraktion von Ladungsträgern und die Ausrichtung der Energiebänder in PSCs zu kontrollieren. Eine Grenzfläche mit geringerer Dichte an Fallenzuständen sowie der Fähigkeit, das Energiebandniveau näher an das des selektiven Kontakts zu verschieben, trägt zur Verbesserung des Wirkungsgrads von PSCs bei. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Design für die CsPbI3/HTM-Grenzfläche vorgeschlagen. Dabei wird das Dipolmolekül Trioctylphosphinoxid (TOPO) an der Grenzfläche zwischen CsPbI3-Perowskit und dem lochselektiven Kontakt N2, N2, N2′, N2′, N7, N7, N7′, N7′-octakis(4-Methoxyphenyl) -9,9′-Spirobi[9H-Fluoren] -2,2′,7,7′-Tetramin (spiro-OMeTAD) eingeführt. Auf einem mit n-Octylammoniumiodid (OAI) passivierten Perowskitfilm erzeugt TOPO eine nach oben gerichtete Oberflächenbandverkrümmung, die die Ausrichtung der Energieniveaus optimiert und die Extraktion von Löchern aus CsPbI3 in den HTL verbessert. Infolgedessen wurden in den hergestellten Solarzellen ein VOC von 1,2 V und eine PCE von über 19% erzielt. Darüber hinaus nimmt die Arbeit auch die Ladungsträgerselektivität an der Grenzfläche und die Langzeitstabilität von CsPbI3-Perowskit-Solarzellen in den Fokus. Der dritte Teil der Arbeit erweitert die bisherigen Untersuchungen auf das Polymer Poly-(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) als HTL. Die CsPbI3/P3HT-Grenzfläche ist aufgrund der hohen nicht-radiativen Rekombination kritisch. In dieser Arbeit wird eine CsPbI3/P3HT-Grenzfläche vorgestellt, die mit einem langkettigen Alkylhalogenidmolekül, n-Hexyltrimethylammoniumbromid (HTAB), modifiziert wurde. Dieses Molekül passiviert die CsPbI3-Perowskit-Oberfläche weitgehend und verbessert die Ladungsträgerextraktion an der Grenzfläche. Für CsPbI3 mit P3HT als HTM konnte ein VOC von über 1,00 V und 14,2% PCE erreicht werden. Insgesamt werden in dieser Dissertation Methoden zur Entwicklung und Untersuchung von Grenzflächen für Solarzellen auf CsPbI3-Basis vorgestellt und diskutiert. Diese Studie kann Wege für neuartiges Grenzflächendesign zwischen CsPbI3 und HTM im Hinblick auf Ladungsträgerextraktion, Effizienz und Stabilität eröffnen.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Zafar IqbalORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-618315
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-61831
Subtitle (English):inorganic perovskite solar cells
Reviewer(s):Antonio AbateORCiD, Andreas TaubertORCiDGND, Philip SchulzORCiD
Supervisor(s):Antonio Abate, Andreas Taubert
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Publication year:2023
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2023/11/15
Release date:2024/02/06
Tag:CsPbI3; Grenzflächen; Perowskit-Solarzellen
CsPbI3; interfaces; perovskite solar cells
Number of pages:ix, 133
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Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
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