Fluorene-based hole transport materials for halide perovskite solar cells
Mäkinen, Paavo (2021)
Mäkinen, Paavo
2021
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-11-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202111158425
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202111158425
Tiivistelmä
The finite nature of fossil fuels and the impending climate change scenario have clearly highlighted the need for clean and renewable energy sources. The vast amount of energy constantly radiating from the Sun to Earth could be harvested to ease this issue, but large-scale adoption requires a more cost-effective solar cell technology than the currently available. A rising star in this field are perovskite solar cells, which, in barely more than a decade, have led to an improvement in the power conversion efficiency from 3.8 % to 25.8 %. In addition to the impressive efficiency, perovskites bear the advantage of low material costs and solution-processed fabrication methods suitable for upscaling. These properties make perovskites an interesting field of research.
Perovskite solar cells do however have their drawbacks as well. Organic perovskites are notorious for degrading when exposed to external factors like moisture, with the lead-based materials used in highest performing cells posing a significant environmental and human health risk. Additionally, certain materials used in perovskite solar cells, notably in hole transport layer, are quite expensive and require dopants, which may accelerate the degradation of the perovskite itself.
Thus, the aim of this thesis was to study four novel fluorene-based hole transport materials, DC77, DC79, DC81, and DC83, which are simpler and cheaper to fabricate than conventional ones. The goal was also to utilize them without dopants in a mesoporous perovskite solar cell. The research consisted of hole transport material characterization, in addition to solar cell fabrication, optimization, and stability monitoring.
The best performance of the new substances was achieved with DC77, with the highest solar cell efficiency of 13.9 %. In contrast, the reference cells utilizing the widely known Spiro-OMeTAD material (upon dopants addition) reached up to 20 % efficiency. This lower performance of DC-based devices has been caused by the lower hole mobility and conductivity of the DC hole transporters compared to Spiro-OMeTAD. Despite this, DC77 and DC79 had fairly good photophysical properties, which means that these substances could achieve higher performance with suitable dopants. On the other hand, as for stability, the performance of DC-cells kept improving significantly for a week after fabrication. Thanks to this increase, the efficiency of the DC-cells mostly stayed above the starting value throughout the observation period of 147 days, unlike the reference cells which just gradually degraded to below 80 % of the initial value. Hence, the investigated fluorene-based hole transport materials have potential for the practical applications of perovskite solar cells, for which the long-term stability is paramount. Fossiilisten luonnonvarojen rajallisuus ja ilmastonmuutos ovat tehneet selväksi tarpeen ympäristöystävälliselle, uusiutuvalle energialle. Maapallolle säteilevä auringonvalo sisältää valtavan määrän energiaa, minkä hyödyntämiseksi jatkuvasti kehitetään yhä kustannustehokkaampia aurinkokennoja. Hieman yli vuosikymmenessä perovskiitti-aurinkokennot ovat kehittyneet 3,8 % hyötysuhteesta ilmiömäiseen 25,8 %. Hyötysuhteen lisäksi perovskiittien etuna on perinteistä piitä halvemmat raaka-aineet ja suureen skaalaan soveltuvat valmistusmenetelmät. Nämä ominaisuudet tekevät perovskiiteista houkuttelevia tutkimuksen kohteita.
Perovskiitti-aurinkokennoilla on kuitenkin myös omat ongelmansa. Perovskiittimateriaalit voivat hajota osa-aineikseen ympäristötekijöiden vaikutuksesta ja parhaimmat hyötysuhteet saavutetaan lyijypohjaisilla perovskiiteilla, jotka voivat hajotessaan aiheuttaa ympäristöongelmia ja terveysvaaran. Lisäksi tehokkaimmat aukonkuljetusaineet ovat kalliita ja vaativat douppausaineita, jotka voivat ennestään kiihdyttää perovskiitin hajoamista.
Näin ollen tämän diplomityön tavoitteena on tutkia neljää uutta fluoreenipohjaista aukonkuljetusainetta, DC77, DC79, DC81, ja DC83, joiden valmistaminen olisi huomattavasti yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin nykyisten aukonkuljetusmateriaalien. Lisäksi tavoitteena oli saada nämä aukonkuljetusaineet toimimaan kennoissa ilman douppausaineita. Tutkimuksessa karakterisoitiin aukonkuljetusaineiden ominaisuuksia, sekä valmistettiin ja optimoitiin toimivia aurinkokennoja, tarkkaillen myös niiden stabiilisuutta.
Paras uusilla aukonkuljetusaineilla valmistettu aurinkokenno saavutti 13,9 % prosentin hyötysuhteen, kun taas muuten samanlainen kenno doupatulla Spiro-OMeTADilla antoi parhaimmillaan 20 %. Tämä ero vaikuttaisi johtuvan pääasiassa uusien aukonkuljetusaineiden heikommasta konduktiivisuudesta ja aukon liikkuvuudesta. DC77 ja DC79 osoittautuivat kuitenkin fotofyysisiltä ominaisuuksiltaan suotuisammiksi, joten sopivat douppaisaineet voisivat nostaa DC-aineiden suorituskykyä. Stabiilisuuden suhteen havainnoitiin mielenkiintoinen ilmiö, sillä DC-kennojen toiminta parani merkittävästi noin viikon ajan kennojen valmistuksesta. Tämän ansiosta DC-kennojen hyötysuhteet pysyivät 147 päivän tarkkailuaikana enimmäkseen alkuperäisten arvojen yläpuolella, toisin kuin referenssikennot, jotka laskivat alle 80 %. Näin ollen tutkitut fluoreenipohjaiset aukonkuljetusaineet voisivat toimia käytännön sovelluksissa, joissa pitkäaikainen stabiilisuus on tärkeintä.
Perovskite solar cells do however have their drawbacks as well. Organic perovskites are notorious for degrading when exposed to external factors like moisture, with the lead-based materials used in highest performing cells posing a significant environmental and human health risk. Additionally, certain materials used in perovskite solar cells, notably in hole transport layer, are quite expensive and require dopants, which may accelerate the degradation of the perovskite itself.
Thus, the aim of this thesis was to study four novel fluorene-based hole transport materials, DC77, DC79, DC81, and DC83, which are simpler and cheaper to fabricate than conventional ones. The goal was also to utilize them without dopants in a mesoporous perovskite solar cell. The research consisted of hole transport material characterization, in addition to solar cell fabrication, optimization, and stability monitoring.
The best performance of the new substances was achieved with DC77, with the highest solar cell efficiency of 13.9 %. In contrast, the reference cells utilizing the widely known Spiro-OMeTAD material (upon dopants addition) reached up to 20 % efficiency. This lower performance of DC-based devices has been caused by the lower hole mobility and conductivity of the DC hole transporters compared to Spiro-OMeTAD. Despite this, DC77 and DC79 had fairly good photophysical properties, which means that these substances could achieve higher performance with suitable dopants. On the other hand, as for stability, the performance of DC-cells kept improving significantly for a week after fabrication. Thanks to this increase, the efficiency of the DC-cells mostly stayed above the starting value throughout the observation period of 147 days, unlike the reference cells which just gradually degraded to below 80 % of the initial value. Hence, the investigated fluorene-based hole transport materials have potential for the practical applications of perovskite solar cells, for which the long-term stability is paramount.
Perovskiitti-aurinkokennoilla on kuitenkin myös omat ongelmansa. Perovskiittimateriaalit voivat hajota osa-aineikseen ympäristötekijöiden vaikutuksesta ja parhaimmat hyötysuhteet saavutetaan lyijypohjaisilla perovskiiteilla, jotka voivat hajotessaan aiheuttaa ympäristöongelmia ja terveysvaaran. Lisäksi tehokkaimmat aukonkuljetusaineet ovat kalliita ja vaativat douppausaineita, jotka voivat ennestään kiihdyttää perovskiitin hajoamista.
Näin ollen tämän diplomityön tavoitteena on tutkia neljää uutta fluoreenipohjaista aukonkuljetusainetta, DC77, DC79, DC81, ja DC83, joiden valmistaminen olisi huomattavasti yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin nykyisten aukonkuljetusmateriaalien. Lisäksi tavoitteena oli saada nämä aukonkuljetusaineet toimimaan kennoissa ilman douppausaineita. Tutkimuksessa karakterisoitiin aukonkuljetusaineiden ominaisuuksia, sekä valmistettiin ja optimoitiin toimivia aurinkokennoja, tarkkaillen myös niiden stabiilisuutta.
Paras uusilla aukonkuljetusaineilla valmistettu aurinkokenno saavutti 13,9 % prosentin hyötysuhteen, kun taas muuten samanlainen kenno doupatulla Spiro-OMeTADilla antoi parhaimmillaan 20 %. Tämä ero vaikuttaisi johtuvan pääasiassa uusien aukonkuljetusaineiden heikommasta konduktiivisuudesta ja aukon liikkuvuudesta. DC77 ja DC79 osoittautuivat kuitenkin fotofyysisiltä ominaisuuksiltaan suotuisammiksi, joten sopivat douppaisaineet voisivat nostaa DC-aineiden suorituskykyä. Stabiilisuuden suhteen havainnoitiin mielenkiintoinen ilmiö, sillä DC-kennojen toiminta parani merkittävästi noin viikon ajan kennojen valmistuksesta. Tämän ansiosta DC-kennojen hyötysuhteet pysyivät 147 päivän tarkkailuaikana enimmäkseen alkuperäisten arvojen yläpuolella, toisin kuin referenssikennot, jotka laskivat alle 80 %. Näin ollen tutkitut fluoreenipohjaiset aukonkuljetusaineet voisivat toimia käytännön sovelluksissa, joissa pitkäaikainen stabiilisuus on tärkeintä.