Charge carrier dynamics and interfaces in perovskite solar cells

Abstract

Organometal halide perovskites for solar cells are hybrid semiconductors that recently have caught the attention of the scientific community due to its excellent performance and attractive optical properties. Since then, they have been used in solar cells, LEDs, and lasers, although the mechanisms by which such good performances are obtained are not known completely. This dissertation presents a study of the optical characteristics of perovskites for thin-film solar cells. Due to their small thickness, the morphology of the layer is sensitive to manufacturing parameters. In this way, the manufacturing process is optimized, trying to improve its characteristics. Among the challenges perovskites pose for implementation, the lack of stability during operation is one of the most relevant. Therefore, in this dissertation, the reasons for stability losses are also studied. For this purpose, interlayers are used, which introduce changes in the interface of the perovskite with the electron extraction layer, and with the initial purpose of reducing the hysteresis in the current-voltage curve. In addition to reducing it, they stabilize the power extracted from the solar cell under illumination. The effects of degradation on the characteristics of solar cells allow the identification of their origins and propose a solution to avoid or delay damage to the perovskite layer. With this in mind, it is established that the problem of stability does not only lie within the perovskite layer but also in the contact between the layers and in the charge transport within the perovskite solar cell. Careful control of these interfaces, then, facilitates the achievement of stable performances and long lifetimes of the perovskite solar cells.

Las perovskitas organometálicas de haluros para celdas solares son un tipo de semiconductor híbrido que recientemente ha atrapado la atención de la comunidad científica debido a su excelente desempeño y atractivas propiedades ópticas. Desde entonces, han sido utilizadas en celdas solares, LEDs y lasers, a pesar de que los mecanismos por los cuales se obtienen tan buenos desempeños no son completamente conocidos. Con esta disertación se presenta un estudio sobre las características ópticas de la perovskitas para su utilización en celdas solares de películas delgadas. Debido a su delgado grosor, la morfología de la capa es sensible a los parámetros de fabricación. De manera que se optimiza el proceso de fabricación tratando de mejorar sus características. Entre los retos que presentan las perosvkitas para su implementación, la falta de estabilidad durante su funcionamiento es uno de los más relevantes. Entonces en este dissertationo se estudian también las razones por las que se presenta pérdidas de estabilidad. Para esto se utilizan entrecapas, que introducen cambios en la interfaz de la perovksite con la capa extractora de electrones, y con el propósito inicial de reducir la histéresis en la curva de corriente-voltaje. Además de reducirlo, estabilizan la potencia extraída de la celda solar bajo iluminación. Los efectos de la degradación en las características de las celdas solares nos permiten identificar sus orígenes y presentar propuestas para evitar o retardar los daños a la capa de perovskita. Teniendo esto en cuenta, podemos establecer que el problema de la estabilidad no radica sólo dentro de la perovskita, pero también en el contacto entre las capas y en el transporte de carga dentro de la celda solar de perovskita. El control cuidadoso de estas interfaces, entonces, permite la obtención de un rendimiento estable y una vida larga del dispositivo.

Organometallhalogenid-Perowskite sind hybride Halbleiter, die in jüngster Zeit aufgrund ihrer hervorragenden Halbleitereingeschaften und attraktiven optischen Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft auf sich gezogen haben. Seitdem wurde die exzellente Eignung dieser Materialklasse für verschiedenste opto-elektrische Anwendungen wie z.B. Solarzellen, LEDs und Lasern unter Beweis gestellt. Die physikalischen Mechanismen, die die Grundlage für diese einzigartigen, qualitativ Hochwertigen Eigenschaften bilden, sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Dieses Manuskript stellt eine Studie über die optischen Eigenschaften von Perowskitfilmen für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen dar, die mit dem Spin-Coating-Verfahren hergestellt wurden. Aufgrund des geringen Dicken der Perowskitschichten ist deren Morphologie empfindlich gegenüber kleinen Variationen der Fertigungsparameter. Deshalb muss der Herstellungsprozess durch Feinjustierung dieser Parameter optimiert werden, um hocheffiziente Solarzellen herzustellen. Eine der größten Herausforderungen für die Kommerzialisierung der Perowskitphotovoltaik ist neben der Herstellung durch die mangelnde Stabilität des Wirkungsgerades während des Betriebs gegeben. Daher werden in der vorliegenden Arbeit zusätzlich die Gründe für diese Stabilitätsverluste untersucht. Zu diesem Zweck werden zusätzliche Nanoschichten zwischen der Perowskit- und der Elektronenextraktionsschicht appliziert, die nicht nur eine Reduzierung der Hysterese in der Strom-Spannungskurve bewirken, sondern die Leistung der Solarzelle unter Sonneneinstrahlung stabilisieren. Der Vergleich der Stabilität von Solarzellen mit und ohne zusätzlichen Zwischenschichten ermöglicht Rückschlüsse auf die Ursache der Degradationsmechanismen. Ein Hauptresultat dieser Stabilitäts- bzw. Degradationsstudie ist die Tatsache, dass ein Großteil des beobachteten Effizienzverlustes nicht durch die Perowskitdegradation innerhalb des Filmes, sondern vielmehr durch die Instabilität der Grenzflächen des Perowskits mit den Extraktionsschichten zustande kommt. Die Grenzflächendegradation erzeugt eine Barriere für den Ladungstransport durch die Erhöhung der lokalen „Trap-Dichte“. Basierend auf dieser Erkenntnis eröffnet die sorgfältige Modifikation der Grenzflächen innerhalb der Solarzelle vielfältige Möglichkeiten, um eine stabile Betriebsleistung der Solarzelle über längere Zeiten durch Vermeidung bzw. Verzögerung der Degradation zu erzielen