Perovskiittiaurinkokennojen valmistus joustaville alustoille

Abstract

Perovskiittiaurinkokennot käyttävät valoa absorboivana puolijohteena perovskiittiyhdisteitä. Perovskiittiyhdisteisiin perustuvien aurinkokennojen hyötysuhteeksi on saatu parhaimmillaan yli 25 %. Aurinkokennoissa käytettävät perovskiittiyhdisteet koostuvat yleensä yksiarvoisesta kationista, kaksiarvoisesta metallista ja kolmesta halidista. Aurinkokennot valmistetaan yleensä lasin päälle, mutta myös joustaville alustoille, kuten muoville, valmistettavia aurinkokennoja on alettu kehittämään erilaisiin sovelluksiin. Näihin joustavat perovskiittiyhdisteet sopivat hyvin. Perovskiittiyhdisteillä on myös hyvä absorptio näkyvän valon spektrin alueella ja niiden energiaraon energiaa voidaan muuttaa vaihtamalla jokin yhdisteen komponenteista. Tässä työssä tutkittavat perovskiittiaurinkokennot koostuvat alustasta, jonka päällä on anodipinnoite, elektroninkuljetuskerroksesta (engl. electron transport layer, ETL), perovskiitista, aukonkuljetuskerroksesta (engl. hole transport layer, HTL) ja katodista. Perovskiittiaurinkokennojen valmistamiseen on monia tekniikoita, joita ovat esimerkiksi pyörrepinnoitus (engl. spin coating) ja seripainatus (engl. screen printing).

Tässä työssä perehdytään ensin kirjallisuuskatsauksella perovskiittiyhdisteiden rakenteeseen ja ominaisuuksiin sekä perovskiittiaurinkokennojen kehitykseen, rakenteeseen ja valmistukseen. Tässä työssä raportoidaan Tampereen yliopiston Hybrid Solar Cells -ryhmän valmistamia perovskiittiaurinkokennoja sekä niistä mitattuja mittaustuloksia. Kennot valmistettiin ja mittaukset suoritettiin Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen RedLabs -laboratoriossa. Näitä tuloksia verrataan muihin vastaavanlaisella perovskiittiaurinkokennon rakenteella valmistettuihin kennoihin sekä etsitään ratkaisuja hyötysuhteen parantamiseksi.

Hybrid Solar Cells -ryhmän ensimmäisen koesarjan tehokkaimpien joustavien perovskiittiaurinkokennojen hyötysuhteeksi mitattiin 12,4 %, mitä voidaan pitää hyvänä lähtökohtana. Tulos jäi kuitenkin vielä alle tavoitearvon, jona voidaan pitää 20 %. Syynä heikommalle hyötysuhteelle on todennäköisesti aurinkokennoissa käytetty elektroninkuljetusmateriaali, fullereeni, jota on vain hyvin ohut kerros. Tähän mennessä käytetyissä muovialustoissa on ollut epätasaisuuksia, jotka tekevät perovskiittikerrokseen reikiä. Nämä reiät johtavat hyötysuhteen alenemiseen tai jopa oikosulkuun. Paksumpaa fullereenikerrosta ei voida kuitenkaan käyttää, koska siitä muodostuu tällöin eriste ja se heikentäisi sähkövirran kulkua. Ratkaisu tähän ongelmaan on elektroninkuljetusmateriaalin korvaaminen jollakin toisella materiaalilla, jota voidaan käyttää paksumpana kerroksena. Tällöin se voi peittää epätasaisuudet. Hyviä vaihtoehtoja elektroninkuljetusmateriaaliksi olisivat mahdollisesti sinkkioksidi ja tinadioksidi. Myös HTL-materiaalina käytettävä PEDOT:PSS voisi olla hyvä vaihtoehto. Tämän lisäksi on myös etsittävä vaihtoehtoisia muovialustojen valmistajia, jotka voivat valmistaa tasaisempia alustoja.