Perovskite solar cell optimization by defect passivation using small bifunctional organic molecules
Karpiola, Eetu (2024)
Karpiola, Eetu
2024
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy 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
2024-09-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202408308461
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202408308461
Tiivistelmä
The ongoing energy crisis in Europe is a key indicator that new sources for renewable energy are needed to secure our well-being. Non-renewable fossil fuels are running out slowly and humanity’s energy consumption is increasing rapidly. Solar energy is a readily available renewable energy source and has significant potential to solve the energy crisis. Solar energy can be converted into electricity via solar cells. One of the promising semiconductors to harvest energy from light is halide perovskite. During last few years, perovskite-based solar cells have gained a lot of attention in research due to their ability to perform on comparable efficiencies to silicon solar cells, which are the main source of solar-harvested energy currently. Due to the low manufacturing costs and easy fabrication, perovskite solar cells are suitable and attractive for industrialization.
Unfortunately, perovskites are prone to defects, which decreases the performance of the whole device. To counter these defects, the light-harvesting layer can be passivated by using various methods, such as surface and bulk passivation. In this work, the role of two small bifunctional organic molecules, namely sodium thioglycolate and sodium hydroxyacetate, on the passivation of perovskite is investigated. These molecules have earlier proved to be successful as surface passivators in a p-i-n solar cell structure. In this work, a perovskite layer composed of Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 is passivated with both molecules using both surface and bulk passivation strategies.
The goal of the thesis is to find out the best concentration for the passivator, the most promising passivation strategy, and the best passivating molecule within this study. The best concentration was determined by fabricating batches of solar cells for both surface and bulk passivation and determining the current-voltage (JV)-parameters under 1-Sun and indoor illumination (1000 lux, 4000 K). Based on the results of the measurements, the best concentration for surface passivation was 0.5 mg/ml in isopropyl alcohol (IPA) and for bulk passivation 2% v/v in dimethylsulfoxide (DMSO). Perovskite thin films were characterized by absorbance measurements, electron microscopy imaging, and X-ray diffraction analysis. Based on the characterization and better indoor performance compared to surface passivation, the bulk passivation method was chosen to be studied further. Under low-light intensities, the ideality factor of both bulk passivated devices was smaller than that of the reference, which indicates that the molecules decrease the trap assisted recombination. The calculated shunt resistances showcased that both passivating molecules lead to higher shunt resistances values than the reference, which again is beneficial for the performance of the device. Based on the measurements and characterization, the most effective passivation method within this study is bulk passivation, with concentration of 2% v/v and by using sodium thioglycolate.
The findings of passivation under low-light intensities prove that there is potential for passivation with small bifunctional organic molecules. For the future, longer maximum power point tracking time should be considered, to verify if passivation increases the life-expectancy of the perovskite solar cells. Jatkuva energiakriisi Euroopassa on näyttänyt, että uusia uusiutuvia energianlähteitä tarvitaan turvataksemme hyvinvointimme. Uusiutumattomat fossiiliset polttoaineet vähenevät samalla, kun ihmisten energiankulutus lisääntyy. Aurinkoenergia on hyvin helposti saatavilla oleva energian lähde, jolla on valtava potentiaali ratkaista energiakriisi. Auringon valo voidaan muuntaa sähköenergiaksi aurinkokennojen avulla. Yksi lupaavimmista puolijohteista, joilla auringon valoa voidaan kerätä, on perovskiitti. Viimeisimpien vuosien aikana perovskiittiaurinkokennot ovat herättäneet paljon huomiota, johtuen niiden kyvystä muuntaa auringonvalo sähköksi vertailukelpoisin tuloksin verrattuna paljon käytettyihin piiaurinkokennoihin, jotka ovat tällä hetkellä käytetyin menetelmä aurinkoenergian keräämiseen. Johtuen perovskiittiaurinkokennojen matalista tuotantokuluista ja niiden helposta valmistuksesta, ne ovat hyvin houkuttelevia teolliseen tuotantoon.
Valitettavasti perovskiittiaurinkokennot ovat taipuvaisia sisäisiin heikkouksiin, jotka laskevat niiden suorituskykyä. Näiden heikkouksien torjumiseen voidaan käyttää useita eri passivointimenetelmiä, kuten pinta- ja massapassivointia. Tässä työssä passivointi tehdään käyttäen kahta pientä bifunktionaalista orgaanista molekyyliä, natrium tioglykolaattia ja natrium hydroksyyliasetaattia, joiden käytöstä pintapassivoinnissa on saatu lupaavia tuloksia p-i-n rakenteessa. Tässä työssä valoa absorboiva perovskiittikerros Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 passivoidaan käyttäen molempia molekyylejä ja molempia passivointimenetelmiä.
Työn tarkoituksena on löytää paras konsentraatio, jossa molekyylejä voidaan käyttää, paras passivointimenetelmä ja lopulta paras molekyyli passivointiin tietylle menetelmälle. Tämä tehdään tuottamalla useita eriä perovskiittiaurinkokennoja eri passivointimenetelmillä ja mittaamalla niiden JV-parametrit simuloidussa auringonvalossa ja sisävalossa (1000 lux, 4000 K). Näiden tulosten perusteella paras konsentraatio pintapassivoinnille on 0.5 mg/ml isopropanolissa (IPA) ja massapassivoinnille 2 % v/v dimetyylisulfoksidissa (DMSO). Perovskiittifilmit karakterisoitiin absorptiomittausten, pyyhkäisyelektronimikroskopian ja röntgendiffraktion avulla. Massapassivoidut näytteet suoriutuvat paremmin sisävalomittauksissa kuin pintapassivoidut näytteet, jonka vuoksi massapassivointimenetelmä valittiin jatkotutkimuksiin. Alhaisen valon intensiteettimittauksissa ideaalisuuskerroin oli molemmille passivoiduille näytteille pienempi kuin referenssinäytteen, joka indikoi, että molekyylit vähentävät ansojen avustamaa rekombinaatiota. Kaikille laitteille laskettiin sunttivastukset, jotka olivat molemmilla passivoiduilla näytteillä suuremmat kuin referenssinäytteellä, mikä parantaa laitteen toimintatehokkuutta. Mittausten ja karakterisoinnin perusteella paras passivointimenetelmä on massapassivointi 2 % v/v konsentraatiolla käyttäen natrium tioglykolaattia.
Löydökset passivoinnin toimivuudesta alhaisessa valon intensiteetissä osoittaa, että bifunktionaalisilla orgaanisilla pienmolekyyleillä on potentiaalia perovskiittiaurinkokennojen passivoinnissa. Tulevaisuudessa, maksimaalisin tehopisteen seuranta-aikaa pitää pidentää, jotta nähdään parantaako passivointi perovskiittiaurinkokennojen elinajanodotetta.
Unfortunately, perovskites are prone to defects, which decreases the performance of the whole device. To counter these defects, the light-harvesting layer can be passivated by using various methods, such as surface and bulk passivation. In this work, the role of two small bifunctional organic molecules, namely sodium thioglycolate and sodium hydroxyacetate, on the passivation of perovskite is investigated. These molecules have earlier proved to be successful as surface passivators in a p-i-n solar cell structure. In this work, a perovskite layer composed of Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 is passivated with both molecules using both surface and bulk passivation strategies.
The goal of the thesis is to find out the best concentration for the passivator, the most promising passivation strategy, and the best passivating molecule within this study. The best concentration was determined by fabricating batches of solar cells for both surface and bulk passivation and determining the current-voltage (JV)-parameters under 1-Sun and indoor illumination (1000 lux, 4000 K). Based on the results of the measurements, the best concentration for surface passivation was 0.5 mg/ml in isopropyl alcohol (IPA) and for bulk passivation 2% v/v in dimethylsulfoxide (DMSO). Perovskite thin films were characterized by absorbance measurements, electron microscopy imaging, and X-ray diffraction analysis. Based on the characterization and better indoor performance compared to surface passivation, the bulk passivation method was chosen to be studied further. Under low-light intensities, the ideality factor of both bulk passivated devices was smaller than that of the reference, which indicates that the molecules decrease the trap assisted recombination. The calculated shunt resistances showcased that both passivating molecules lead to higher shunt resistances values than the reference, which again is beneficial for the performance of the device. Based on the measurements and characterization, the most effective passivation method within this study is bulk passivation, with concentration of 2% v/v and by using sodium thioglycolate.
The findings of passivation under low-light intensities prove that there is potential for passivation with small bifunctional organic molecules. For the future, longer maximum power point tracking time should be considered, to verify if passivation increases the life-expectancy of the perovskite solar cells.
Valitettavasti perovskiittiaurinkokennot ovat taipuvaisia sisäisiin heikkouksiin, jotka laskevat niiden suorituskykyä. Näiden heikkouksien torjumiseen voidaan käyttää useita eri passivointimenetelmiä, kuten pinta- ja massapassivointia. Tässä työssä passivointi tehdään käyttäen kahta pientä bifunktionaalista orgaanista molekyyliä, natrium tioglykolaattia ja natrium hydroksyyliasetaattia, joiden käytöstä pintapassivoinnissa on saatu lupaavia tuloksia p-i-n rakenteessa. Tässä työssä valoa absorboiva perovskiittikerros Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 passivoidaan käyttäen molempia molekyylejä ja molempia passivointimenetelmiä.
Työn tarkoituksena on löytää paras konsentraatio, jossa molekyylejä voidaan käyttää, paras passivointimenetelmä ja lopulta paras molekyyli passivointiin tietylle menetelmälle. Tämä tehdään tuottamalla useita eriä perovskiittiaurinkokennoja eri passivointimenetelmillä ja mittaamalla niiden JV-parametrit simuloidussa auringonvalossa ja sisävalossa (1000 lux, 4000 K). Näiden tulosten perusteella paras konsentraatio pintapassivoinnille on 0.5 mg/ml isopropanolissa (IPA) ja massapassivoinnille 2 % v/v dimetyylisulfoksidissa (DMSO). Perovskiittifilmit karakterisoitiin absorptiomittausten, pyyhkäisyelektronimikroskopian ja röntgendiffraktion avulla. Massapassivoidut näytteet suoriutuvat paremmin sisävalomittauksissa kuin pintapassivoidut näytteet, jonka vuoksi massapassivointimenetelmä valittiin jatkotutkimuksiin. Alhaisen valon intensiteettimittauksissa ideaalisuuskerroin oli molemmille passivoiduille näytteille pienempi kuin referenssinäytteen, joka indikoi, että molekyylit vähentävät ansojen avustamaa rekombinaatiota. Kaikille laitteille laskettiin sunttivastukset, jotka olivat molemmilla passivoiduilla näytteillä suuremmat kuin referenssinäytteellä, mikä parantaa laitteen toimintatehokkuutta. Mittausten ja karakterisoinnin perusteella paras passivointimenetelmä on massapassivointi 2 % v/v konsentraatiolla käyttäen natrium tioglykolaattia.
Löydökset passivoinnin toimivuudesta alhaisessa valon intensiteetissä osoittaa, että bifunktionaalisilla orgaanisilla pienmolekyyleillä on potentiaalia perovskiittiaurinkokennojen passivoinnissa. Tulevaisuudessa, maksimaalisin tehopisteen seuranta-aikaa pitää pidentää, jotta nähdään parantaako passivointi perovskiittiaurinkokennojen elinajanodotetta.