Effect of bithiophene-based hole transport material on perovskite solar cell stability

Abstract

To date fossil fuels still dominate the global energy sources, contributing about 80 % to global energy in 2019. Alternative renewable and sustainable energy sources are needed. The amount of solar energy the Earth receives far exceeds the amount humanity can consume, so this energy could be better utilized. However, to make use of this energy, solar cells need to be more economically viable. Perovskite solar cells are a relatively new technology and has piqued the interest of scientists in the solar cell field. Just in little over a decade the efficiencies of perovskite solar cells have gone from 3.8 % to over 25 %. However, although perovskite solar cells have high efficiencies and are cheap to manufacture, they have poor stabilities, which stands in the way of their commercialization.

The focus of this thesis was to study the bithiophene-based hole transport material BTC and see what kind of effect it has on the efficiency and especially stability of perovskite solar cells. Both doped and undoped BTC was studied. Spiro-OMeTAD, one of the most popular hole transport materials, was used as a reference in this thesis. This material is quite expensive, so BTC could be a cheaper alternative. To evaluate the performance of the solar cells, their current-voltage were recorded and the best devices tracked at the maximum power point to monitor their stability.

The doped BTC device performed better overall than the one without any dopants, reaching efficiency of 14.6 %. Spiro-OMeTAD led to efficiency of 18.8 %, which was higher than either of the BTC based devices reached. The efficiency of the devices improved during the first week after fabrication, which was a positive sign for the stability of the devices. Furthermore, BTC based cells had better lifetimes than the reference under constant illumination. The doped BTC cell had the longest lifetime, lasting for 17 hours, before dropping below 80 % of initial efficiency. Further research could be made into BTC based devices as they show promising results. Using more dopants to see their effect on performance and stability could be interesting.

Fossiiliset polttoaineet ovat yhä merkittävästi käytetyimpiä energianlähteistä maailmanlaajuisesti. Uusille kestäville ja uusiutuville energianlähteille on siis tarvetta. Auringosta tuleva energia ylittää ihmiskunnan tarpeet, mutta aurinkokennojen tulisi olla taloudellisesti kannattavampia, jotta tätä energiaa voitaisiin hyödyntää paremmin. Perovskiittiaurinkokennot ovat suhteellisen uusi teknologia, ja ne ovat herättäneet huomiota aurinkokennoalan tutkijoiden keskuudessa. Nämä kennot ovat kehittyneet nopeasti; vuonna 2009 perovskiittiaurinkokennojen tehokkuudet olivat vain 3,8 %, mutta jo 2020 tehokkuukdet ylittivät 25 %. Perovskiittiaurinkokennojen korkeista tehokkuuksista huolimatta on niiden huono stabiilisuus yhä esteenä kaupallistamiselle.

Tässä työssä keskitytään bitiofeenipohjaisen aukonkuljetusmateriaalin, BTC, tutkimiseen. Tavoitteena oli selvittää miten BTC vaikuttaa perovskiittiaurinkokennojen käyttäytymiseen, etenkin niiden stabiilisuuteen. BTC:tä tutkittiin ilman douppausaineita sekä douppausaineen kanssa. Spiro-OMeTADia, yhtä suosituimmista aukonkuljetusaineista, käytettiin vertailukohteena tässä työssä. Kennojen suorituskykyä arvioitiin muun muassa mittaamalla niiden tehokkuudet ja parhaiden kennojen eliniät arvioitiin maksimitehopisteseurannalla.

Doupattu BTC suoriutui paremmin kuin BTC ilman douppausaineita, saavuttaen tehokkuuden 14,6 %. Toisaalta kummatkin suoriutuivat huonommin kuin Spiro-OMeTAD, joka saavutti tehokkuuden 18,8 %. Kennojen tehokkuudet kasvoivat ensimmäisen viikon aikana niiden valmistuksen jälkeen, mikä oli hyvä merkki niiden stabiilisuudesta. Lisäksi kennoista, jotka olivat jatkuvan valaistuksen alla, doupattulla BTC:llä oli pisin elinikä. Kennon tehokkuudella kesti noin 17 tuntia pudota 80 % alkuperäisestä tehokkuudesta.

BTC-pohjaisille kennoille voitaisiin tehdä jatkotutkimusta, sillä ne osoittavat lupaavia tuloksia. Esimerkiksi voitaisiin tutkia minkälaisia vaikutuksia erilaisilla douppausaineilla olisi tehokkuuteen ja stabiilisuuteen.