Interfaces in lead-free perovskite-inspired solar cells and indoor photovoltaics

Abstract

The humanity’s energy consumption is increasing all the time, but the nonrenewable energy resources will be eventually exhausting. Thus, there is the need of utilizing renewable energy sources more and more in the future. Solar energy is one of the most potential options and many photovoltaic technologies have been developed. One of the emerging technologies is perovskite solar cells which have reached high efficiencies comparable to commercial solar cells in less than fourteen years. However, the most efficient perovskites used in solar cells contain toxic lead, which has led to the study of lead-free perovskites and perovskite-inspired materials. In addition to harvesting the solar energy, the indoor light sources are also emitting light energy that can be harvested by photovoltaics. This technology has started to become more popular in the recent time as indoor photovoltaics could be utilized in various Internet of Things devices, for example, in wireless sensors, to power them up.

In this thesis, a perovskite-inspired material Cu2AgBiI6 (CABI), was studied. CABI is a recent material reported in 2021. Its optoelectronic properties would make it a good candidate for solar cells, but its band gap of about 2 eV suggests a greater potential for indoor photovoltaics. The goal of this thesis was to optimize the structure and interfaces of CABI-based photovoltaics to reach higher efficiencies under sunlight and indoor (white light-emitting diode) lighting. Optimization was done on the electron transport layer, light-harvesting layer (CABI), hole transport layer, and top electrode. This included trying various layer thicknesses, different materials, additives, or a protecting layer, depending on the layer to be optimized.

From the various optimizations done, the effect of modifying the electron transport layer was found to be the most crucial for maximizing the performance. The most efficient devices were obtained by employing a mesoporous titanium dioxide (TiO2) layer into the structure, paired with a compact TiO2 layer as the electron transport layer, and optimizing its thickness. The optimal thickness of mesoporous TiO2 layer was found to be approximately 210 nm. The efficiency of 1.5 % was reached under 1-Sun illumination for devices with the mesoporous layer, which represented a huge improvement compared to the devices without it reaching only 0.4 % at best. The highest indoor efficiency of 7.2 % was achieved under 1000 lux illumination with the mesoscopic architecture, which is higher than the earlier reported values for CABI-based photovoltaics. When measured under 200 lux illumination, the indoor efficiency of 6.1 % was obtained, which proves that the devices work even under very dim light with only losing a small portion of their performance. This work suggests that CABI is a promising material especially for indoor photovoltaic applications in the future and with further investigations, it could lead to devices approaching the theoretical limit of over 50 % efficiency under indoor lighting.

Ihmiskunnan energiankulutus lisääntyy koko ajan, mutta uusiutumattomat energiavarat tulevat lopulta loppumaan. Täten on tarve hyödyntää uusiutuvia energialähteitä yhä enemmän tulevaisuudessa. Aurinkoenergia on yksi potentiaalisimmista vaihtoehdoista ja monia aurinkokennoteknologioita on kehitetty. Yksi kasvavista teknologioista on perovskiittiaurinkokennot, joilla on saavutettu kaupallisiin aurinkokennoihin verrattavia hyötysuhteita alle neljässätoista vuodessa. Kaikista tehokkaimmissa aurinkokennoissa käytettävät perovskiitit kuitenkin sisältävät myrkyllistä lyijyä, mikä on johdattanut lyijyttömien perovskiittien ja perovskiittijohdannaisten tutkimiseen. Aurinkoenergian keräämisen lisäksi, myös sisätiloissa käytettävät valonlähteet säteilevät valoenergiaa, jonka voi kerätä kennoilla. Tämä teknologia on alkanut kasvattamaan suosiotaan viime aikoina, koska sisävalokennoja voisi käyttää useissa Esineiden internetin laitteissa, esimerkiksi langattomissa sensoreissa, niiden lataamiseksi.

Tässä diplomityössä tutkittiin perovskiittijohdannaista Cu2AgBiI6 (CABI). CABI on uusi materiaali, josta on raportoitu vuonna 2021. Sen optoelektroniset ominaisuudet tekisivät siitä hyvän vaihtoehdon aurinkokennoihin, mutta sen 2 eV:n energiarako vihjaa, että se voisi toimia paremmin sisävalokennoissa. Tämän diplomityön tavoitteena oli optimoida CABI-pohjaisen kennon rakenne ja rajapinnat, jotta saavutettaisiin korkeampia hyötysuhteita sekä auringonvalossa että sisävalossa. Sisävalona käytettiin valkoista LED-lamppua. Optimointi tehtiin elektroninkuljetuskerrokselle, valonkeräyskerrokselle (CABI), aukonkuljetuskerrokselle ja yläelektrodille. Tämä sisälsi usean eri kerrospaksuuden, erilaisten materiaalien, lisäaineiden tai suojakerroksen testaamista, riippuen optimoitavasta kerroksesta.

Erilaisista tehdyistä optimoinneista havaittiin elektroninkuljetuskerroksen muuntamisella olevan kaikista ratkaisevin vaikutus suorituskyvyn maksimoinnissa. Kaikista tehokkaimmat laitteet saatiin lisäämällä mesohuokoinen titaanidioksidikerros (TiO2) rakenteeseen kompaktin TiO2 kerroksen lisäksi, ja optimoimalla sen kerrospaksuus. Optimoitu paksuus mesohuokoiselle TiO2 kerrokselle havaittiin olevan noin 210 nm. Simuloidussa auringonvalossa saavutettiin 1,5 %:n hyötysuhde mesohuokoisen kerroksen sisältävillä laitteilla, mikä oli suuri parannus verrattuna laitteisiin ilman sitä, jotka saavuttivat parhaimmillaan vain 0,4 %:n hyötysuhteen. Sisävalossa saavutettiin parhaimmillaan 7,2 %:n hyötysuhde 1000 luksin valaistustasolla mesoskooppisella rakenteella, mikä on korkeampi kuin aikaisemmin raportoidut arvot CABI-pohjaisille kennoille. Kun mittaukset suoritettiin 200 luksin sisävalaistuksessa, saavutettiin 6,1 %:n hyötysuhde, joka osoittaa, että nämä laitteet toimivat jopa hyvin himmeässä valaistuksessa ja menettävät tällöin vain pienen osuuden suorituskyvystään. Tämä työ tuo esiin, että CABI on lupaava materiaali erityisesti sisävalokennojen sovelluksiin tulevaisuudessa ja lisätutkimuksilla voitaisiin saada aikaan laitteita, joilla saavutettaisiin hyötysuhteen teoreettinen, yli 50 %:n, raja sisävalaistuksessa.