Light harvesting and energy efficiency in perovskite solar cells and their applications

Abstract

The environmental issues associated with the use of conventional fuels necessitates the utilisation of renewable energy sources, as well as the implementation of energy efficient designs, in order to decrease electricity consumption. Photovoltaic (PV) technology can be employed for both approaches by converting not only natural but, also, artificial light into electricity. Among the different emerging PVs, perovskites achieve the highest power conversion efficiency, providing a widely tuneable bandgap with minimum open circuit losses. Moreover, their fabrication uses readily available materials, and does not necessarily require either the use of high temperature processes or vacuum deposition techniques. In this thesis, we enhance light harvesting in perovskite solar cells, and approach the energy efficiency concept through their optimised fabrication and integration in light selective structures. This is accomplished by the implementation of optical and material strategies applied to specific perovskite solar cell designs. The results prove that such strategies provide enhanced light absorption and optimal PV performance in low temperature devices, and enable the recycling of light into electricity for alternative photonic applications. The approaches presented could be utilised in future procedures to decrease the amount of Pb employed in perovskite solar cells, and to reduce the energy consumption during fabrication and the operation of other optoelectronic devices. The thesis is organised into four chapters. Chapter 1 serves as an introduction, where the current energy situation and PV technology are analysed, together with an insight into light harvesting and energy efficiency in perovskite solar cells. In Chapter 2, we demonstrate the employment of a periodic structure to propagate ergodic light in order to increase light absorption in perovskite solar cells, as would happen by employing randomly textured surfaces. This structure serves as a tool to decrease the Pb content used in perovskite solar cells, since 30% less material can be used to obtain a solar cell with equal performance. Then, in Chapter 3, the same periodic configuration with a thin film structure deposited on its surface is applied as a waveguide, which is also able to transmit polarised light. Moreover, two perovskite solar cells integrated on the sides recycle the non-transmitted light into electricity, increasing the energy efficiency of the optical process, with further application in liquid crystal displays (LCDs). Finally, in Chapter 4, we demonstrate the suitable application of a nanoparticle bilayer made of one layer of SnO2 and another of TiO2 as n-type materials in perovskite solar cells. These types of devices, based on low temperature processes, are proven to perform better than those containing one type of nanoparticles, especially in semi-transparent devices. In such devices we achieved an enhancement in performance of up to 30% for solar cells based on extremely thin active layers.

Los problemas medioambientales asociados al uso de combustibles convencionales requieren del uso de fuentes de energía renovables, así como de la implementación de diseños eficientemente energéticos para reducir el consumo de energía. La tecnología fotovoltaica puede emplearse para cubrir ambas estrategias convirtiendo no sólo la luz natural, sino también la artificial, en electricidad. De entre las diferentes tecnologías fotovoltaicas emergentes, las perovskitas alcanzan la más alta eficiencia en conversión de potencia, al mismo tiempo que proporcionan una banda de energía prohibida ampliamente ajustable con pérdidas mínimas de tensión de circuito abierto. Además, su fabricación usa materiales abundantemente disponibles, y no requiere necesariamente de procesos a alta temperatura ni de técnicas de deposición en vacío. En esta tesis, mejoramos la colección de luz en celdas de perovskitas, a la vez que abordamos el concepto de eficiencia energética a través de una fabricación optimizada y su integración en estructuras selectivas de luz. Esto es conseguido gracias a la implementación de estrategias ópticas y materiales aplicadas a diseños específicos de celdas solares de perovskita. Los resultados demuestran que tales estrategias proporcionan una colección de luz y un rendimiento fotovoltaico mayor aplicable a dispositivos fabricados a baja temperatura, y permiten el reciclaje de luz en electricidad para aplicaciones fotónicas alternativas. Las técnicas presentadas podrían ser utilizadas en procedimientos futuros para disminuir la cantidad de Pb empleado en celdas solares de perovskita, y para reducir el consumo de energía durante su fabricación y el funcionamiento de otros dispositivos optoelectrónicos. La tesis está organizada en cuatro capítulos. El Capítulo 1 sirve como una introducción, donde la actual situación energética y la tecnología fotovoltaica son analizadas junto a una descripción de la recolección de luz y la eficiencia energética en celdas solares de perovskita. En el Capítulo 2, demostramos el uso de una estructura periódica para propagar luz ergódicamente y así aumentar la absorción de luz en las celdas solares de perovskita, de manera equivalente a lo que se obtendría usando superficies aleatoriamente texturizadas. Esta estructura sirve como herramienta para reducir el contenido de Pb empleado en celdas solares de perovskita, ya que se puede utilizar 30% menos de material para obtener una celda solar con un rendimiento equivalente. En el Capítulo 3, la misma configuración periódica con una estructura de capa fina depositada en su superficie es empleada como guía de luz, la cual es, además, capaz de transmitir luz polarizada. Además, dos celdas de perovskita integradas en sus laterales reciclan la luz no transmitida en electricidad, incrementando la eficiencia energética del proceso óptico, lo cual podría tener futura aplicación en pantallas de cristal líquido. Finalmente, en el Capítulo 4, demostramos la aplicación de una bicapa de nanopartículas hecha de una capa de SnO2 y otra de TiO2 como materiales de tipo n en celdas solares perovskita. Este tipo de dispositivos, basados en procesos a baja temperatura, funcionan mejor que los que integran un único tipo de nanopartículas, especialmente en dispositivos semitransparentes. En tales dispositivos conseguimos un funcionamiento hasta 30% mejor para celdas solares basadas en capas activas extremadamente finas.