Halide Perovskite Solar Cells: Strategies for High Stability

Abstract

Entre les tecnologies fotovoltaiques emergents més avançades, les cel·les solars de perovskita d’halur (PSC) han evolucionat significativament en tant sols uns pocs anys, aconseguint eficiències de conversió d’energia certificades (PCE) superiors al 25%. No obstant això, alguns dels inconvenients de la tecnologia que limita la seva comercialització és la presència de materials tòxics a base de Pb, limitacions en l’escalat de la tecnologia, i el més important, la seva estabilitat a llarg termini en operació contínua. Els òxids semiconductors (inclòs l’òxid de grafè) s’han emprat com a excel·lents capes de barrera a causa del seu baix cost de fabricació i facilitat de síntesi, però, sobretot, per les propietats d’estabilitat i llarga vida que li confereixen al dispositiu PSC final. En aquesta tesi, proposem tres estratègies per superar els problemes d’estabilitat en les PSC: (a) enginyeria additiva en la perovskita d’halur adsorbida (Capítol 2), (b), la fabricació de PSC basada en carbó (Capítol 3) i (c), la substitució d’òxids semiconductors clàssics per òxids ferroelèctrics com a capes de transport (Capítol 4). Iniciem la descripció del següent treball amb una breu introducció al tema de l’energia i les cel·les solars de perovskita (Capítol 1). Seguidament, presentem les tres estratègies diferents emprades per millorar l’estabilitat de les PSC. La primera estratègia, descrita al Capítol 2, inclou l’ús d’additius orgànics amb grups funcionals de fosfonat i carboxílics que son capaços de passivar defectes puntuals poc profunds, el que dona com a resultat d’immobilització d’ions i la millora de l’estabilitat de les PSC. S’ha demostrat que la utilització d’elèctrodes a base de carboni en les PSC (Capítol 3) millora la resistència a la humitat i, per tant, el rendiment general de les cel·les solars. En aquesta secció, presentarem els resultats més recents sobre la fabricació de PSC completes aplicant elèctrodes de carboni. Finalment, descrivim el treball realitzat sobre la substitució d’òxids semiconductors clàssics aplicats a les PSC com a capes de transport (com TiO2 o SnO2), per òxids ferroelèctrics, especialment Titanat de Plom Zirconat (PZT) i Ferrita de Bismut (BFO). Els estudis inicials amb PZT han demostrat que les vacants d’oxigen perjudicials presents als òxids semiconductors, que degraden la perovskita d’halur, estan relacionades amb les propietats de polarització de l’òxid ferroelèctric i no amb la fotodegradació del dispositiu. Finalment, els Capítols 5 i 6 descriuen les diferents metodologies emprades en aquesta tesi i la conclusió del treball, respectivament.

Entre las tecnologías fotovoltaicas emergentes más avanzadas, las celdas solares de perovskita de haluro (PSC) han evolucionado significativamente en tan sólo unos pocos años, consiguiendo eficiencias de conversión de energía certificadas (PCE) superiores al 25%. Sin embargo, algunos de los inconvenientes de la tecnología que limita su comercialización es la presencia de materiales tóxicos a base de Pb, limitaciones en el escalado de la tecnología, y lo más importante, su estabilidad a largo plazo en operación continua. Los óxidos semiconductores (incluido el óxido de grafeno) se han empleado como excelentes capas de barrera debido a su bajo coste de fabricación y facilidad de síntesis, pero sobre todo por las propiedades de estabilidad y larga vida que le confieren al dispositivo PSC final. En esta tesis, proponemos tres estrategias para superar los problemas de estabilidad en las PSC: (a) ingeniería aditiva en la perovskita de haluro adsorbida (Capítulo 2), (b), la fabricación de PSC basada en carbón (Capítulo 3) y (c), la sustitución de óxidos semiconductores clásicos por óxidos ferroeléctricos como capas de transporte (Capítulo 4). Iniciamos la descripción del siguiente trabajo con una breve introducción al tema de la energía y las celdas solares de perovskita (Capítulo 1). Seguidamente, presentamos las tres estrategias diferentes utilizadas para mejorar la estabilidad de las PSC. La primera estrategia, descrita en el Capítulo 2, incluye el uso de aditivos orgánicos con grupos funcionales de fosfonato y carboxílicos que son capaces de pasivizar defectos puntuales poco profundos, lo que da como resultado de inmovilización de iones y la mejora de la estabilidad de las PSC. Se ha demostrado que la utilización de electrodos a base de carbono en las PSC (Capítulo 3) mejora la resistencia a la humedad y, por tanto, el rendimiento general de las celdas solares. En esta sección, presentaremos los resultados más recientes sobre la fabricación de PSC completas aplicando electrodos de carbono. Por último, describimos el trabajo realizado sobre la sustitución de óxidos semiconductores clásicos aplicados a las PSC como capas de transporte (como TiO2 o SnO2), por óxidos ferroeléctricos, especialmente Titanato de Plomo Zirconato (PZT) y Ferrita de Bismut (BFO). Los estudios iniciales con PZT han demostrado que las vacantes de oxígeno perjudiciales presentes en los óxidos semiconductores, que degradan la perovskita de haluro, están relacionadas con las propiedades de polarización del óxido ferroeléctrico y no con la fotodegradación del dispositivo. Por último, los Capítulos 5 y 6 describen las diferentes metodologías empleadas en esta tesis y la conclusión del trabajo, respectivamente.

Among the most advanced emerging photovoltaic technologies, halide perovskite solar cells (PSCs) have evolved significantly in only a few years, achieving certified power conversion efficiencies (PCE) above 25%. However, some drawbacks of the technology that limits their commercialization are the presence of toxic Pb-based materials, limitations in the scale-up of the technology and most important, its long-term stability under continuous operation. Semiconductor oxides (including graphene oxide) have been employed as excellent barrier layers due to their low fabrication cost and ease of synthesis, but above all, due to the properties of stability and long life that provide to the final PSC device. In this thesis, we propose three strategies to overcome instability issues in PSCs: (a) additive engineering on the halide perovskite adsorbed (Chapter 2), (b) the fabrication of carbon-based PSCs (Chapter 3) and (c), the replacement of classical semiconductor oxides for ferroelectric oxides as transport layers (Chapter 4). I initiate the description of this work with a brief introduction to the topic of energy and perovskite solar cells (Chapter 1). The I present the three different strategies employed to enhance PSC stability. The first strategy, described in Chapter 2, includes the use of organic additives with phosphonate and carboxylic functional groups that are able to passive shallow point defects, resulting in ion immobilization and the enhancement of the PSC stability. The use of Carbon-based electrodes in PSC (Chapter 3) have demonstrated to improve moisture resistance and thus, overall solar cell performance. In this section, I will present the most recent results on the fabrication of complete PSCs applying carbon electrodes. Finally, I describe the work carried out on the replacement of classical semiconductor oxides applied in PSC as transport layers (such as TiO2 or SnO2), by ferroelectric oxides, especially Lead Zirconate Titanate (PZT) and Bismuth Ferrite (BFO). Initial studies with PZT have shown that the detrimental oxygen vacancies present in semiconductor oxides, which degrade the halide perovskite, are linked to the polarization properties in ferroelectric oxide and not to the photodegradation of the device. Finally, Chapter 5 and 6 describe the different methodologies employed in this thesis and the conclusion of the work, respectively.