Multi-Site Engineering of Pnictogen-Based Perovskite-Inspired Materials for Photovoltaic Applications

Abstract

Esineiden internetin (IoT) nopea kasvu lisää tarvetta kestäville energianlähteille, jotka kykenevät luotettavasti tuottamaan energiaa sisätiloissa olevista valonlähteistä. Keinovalokennot tarjoavat lupaavan vaihtoehdon nykyisille teknologioille. Tässä väitöskirjassa tutkitaan lyijyttömiä pniktogeenipohjaisia perovskiittijohdannaisia materiaaleja (PIM) aurinko- ja keinovalokennojen materiaalina. Työn painopisteenä on koostumuksellisten muutosten ja prosessoinnin vaikutukset materiaalien rakenteellisiin, optisiin ja elektronisiin ominaisuuksiin. Materiaalien suorituskykyä ja toimintavakautta sisävalaistuksen alla arvioidaan järjestelmällisesti.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että kemiallisen koostumuksen ja valmistusmenetelmien huolellinen optimointi parantaa merkittävästi ohutkalvojen laatua ja laitteiden toimivuutta. Sekoittamalla eri A paikan kationeja (cesium, metyyliammonium ja formamidinium) sekä lisäämällä pieni määrä vismuttia saatiin aikaan morfologisesti korkealaatuisia ohutkalvoja. Lisäksi prosessointiparametrien optimointi, laiterakenteen suunnittelu ja rajapintojen kohdennettu käsittely johtivat kasvaneeseen kiteisyyteen ja vähensivät paikallista kidesymmetriaa.

Näiden menetelmien yhdistelmä mahdollisti ennätyksellisen suorituskyvyn keinovalon alla: kehitetyt materiaalit saavuttivat jopa 10,1 %:n hyötysuhteen tyypillisessä sisävalaistuksessa, mikä on korkein tähän materiaaliluokkaan raportoitu arvo. Materiaalista valmistettujen laitteiden toimintavakaus parantui merkittävästi, mikä on tärkeää käytännön sovellusten kannalta.

Kaiken kaikkiaan tämä työ osoittaa, että lyijyttömät perovskiittijohdannaiset materiaalit voidaan suunnitella saavuttamaan sekä korkea hyötysuhde että hyvä toimintavakaus. Tämä tekee niistä lupaavia vaihtoehtoja kestävään energiantuotantoon esimerkiksi IoT-laitteissa.

The rapid growth of the Internet of Things (IoT) is increasing the demand for sustainable power sources capable of operating under low indoor illumination. Indoor photovoltaics (IPVs) offer a promising alternative to currently used technologies. This dissertation investigates lead-free, pnictogen-based perovskite-inspired materials (PIMs) as absorbers for solar and indoor energy harvesting, with a particular emphasis on how compositional engineering and processing conditions influence structural, optical, and electronic properties. The performance of these materials under indoor lighting, as well as their operational stability, is systematically evaluated. The results show that carefully tailoring the chemical composition and fabrication procedures can significantly improve film quality and device performance. By mixing different A-site cations (cesium, methylammonium, and formamidinium) and incorporating a small amount of bismuth, morphologically improved and more stable devices were obtained, exhibiting enhanced crystallinity and reduced local structural symmetry. Additional improvements were achieved through optimized processing conditions, device-stack engineering, and interfacial treatment with a dual-purpose interfacial modifier.

With these combined strategies, the developed materials reached record indoor efficiencies, including 10.1% efficiency under typical indoor lighting, which is the highest reported for this class of PIMs. The devices also demonstrated improved operational stability, an essential requirement for real-world applications.

Overall, this work demonstrates that lead-free PIMs can be engineered to achieve both high efficiency and robust operational stability, establishing them as promising candidates for sustainable energy solutions in IoT devices.