Solution processable oxides for inverted and carbon based perovskite solar cells

Abstract

Aquesta thesis està enfocada a la millora de la resposta fotovoltaica de les Perovskites Solar Cells (PSCs) utilitzant òxids semiconductors com a materials de transport de càrrega. Els òxids semiconductors del tipus REOx, es fan servir com a materials de transport, degut a la seva bona transparència i transferència de càrrega. També, s’ha dut a terme la caracterització dels seleccionats transportadors de forats (HTMs) i els transportadors d’electrons (ETMs). Hem utilitzat diverses tècniques experimentals, com X-Ray Diffraction (XRD) i Photoelectron Spectroscopies (XPS-UPS) per entendre el grau de cristal·linitat i les propietats electròniques d’aquests òxids semiconductors. Han estat utilitzades dos tipus de configuracions, per a la millora de la eficiència, estabilitat i reducció de costos, la configuració invertida i la basada en carbó (CPSCs). Les cel.les basades en la configuració de carbó són totalment imprimibles i proporcionen una fàcil fabricació. També, s’ha trobat que l’ús de NiO com a HTMs en la configuració invertida produeix una millora en els paràmetres fotovoltaics i d’estabilitat de les PSCs. Tècniques de microscòpia, com Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Focused Ion Beam (FIB) s’han utilitzat per determinar la morfologia de les capes i entendre els mecanismes de degradació que tenen lloc a les interfases amb l’objectiu final de millorar la resposta fotovoltaica i l’estabilitat de les cel·les solars. Finalment, s’ha dut a terme la funcionalització de les capes d’òxids (TiO2/ZrO2) en les Cbased PSCs mitjançant molècules orgàniques, com el 5 aminovaleric acid iodide (5- AVAI), que ha fet incrementar el bon funcionament d’aquest tipus de cel·les solars. Experimentalment hem obtingut PSCs una eficiència d’un 11.5 % mitjançant AM 1.5G d’il·luminació desprès d’una optimització del procés d’obtenció. També cal destacar, que les CPSCs han demostrat una bona estabilitat sota radiació continua durant mès de 1000 h. Aquest treball, engloba les solucions a algunes dificultats tecnològiques i científiques per a la millora en termes d’eficiència i estabilitat amb l’ús de òxids semiconductors en PSCs.

This thesis is dedicated to the enhancement of the photovoltaic response of Perovskite Solar Cells (PSCs) with the use of semiconductor oxides as electronic transport materials. Semiconductor oxides of the type REOx, where RE stands for rare earth, can serve as charge transporting materials, due to their good transparency and charge transfer. The selected hole transport materials (HTMs) and electron transport material (ETMs) have been characterized using experimental techniques such as X-Ray Diffraction (XRD) and Photoelectron Spectroscopies (XPS-UPS) in order to better understand the degree of crystallinity and the electronic properties of these semiconductor oxides. Two architectures have been used, in order to improve efficiency, stability and reduce manufacturing costs: inverted and carbon-based architectures. C-based PSCs are fully printable and provide a rather simple fabrication. We have also found that the use of NiOx as a HTM in an inverted architecture can improve the photovoltaic parameters of PSC devices. Microscopy techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Focused Ion Beam (FIB) were also employed to determine the morphology of the layers and to understand the degradation mechanisms that occur at the interface level with the final aim of enhancing the photovoltaic performance and stability of solar cell devices. Finally, the functionalization of metal-oxide interlayers (TiO2/ZrO2) in C-based PSCs using organic molecules such as 5 aminovaleric acid iodide (5-AVAI) has been increased the performance of these kind of solar cells. We experimentally fabricated a C-based PSC with a PCE as high as 11.5 % under AM 1.5G illumination at 100 mW/cm2 after several optimization of the complete working device. Also, the CPSCs show good long-term stability under irradiation conditions as has been reported for more than 1000 h. This work addresses the technological issues stated above and proposes suitable concepts for the improvement in terms of efficiency and stability employing semiconductor oxides in PSCs.