Fluorescence quantum yield and the open circuit voltage in perovskite solar cells

Abstract

(English) To mitigate the energy and climate crisis we are already facing and address the increasing energy consumption, it is essential to foster energy transition strategies. The energy transition success largely depends on being able to transform the global energy sector from fossil fuel-based to neutral or zero carbon dioxide emission sources. A decades-long study of photovoltaics has produced several generations of solar energy conversion technologies that do not emit greenhouse gases or air pollution when they operate. However, considering the sun is our planet's most abundant energy source, when compared to fossil fuels, the use of photovoltaics is still very limited. In such a transition from fossil fuels to photovoltaics, it is essential to enhance affordability combined with high efficiency. In recent years, perovskite solar cells have emerged as the most prominent thin-film PV technology to provide high efficiency simultaneously at a low cost. In this thesis, we study perovskite-based solar cells and optical routes to maximise their power conversion efficiency. The theoretical limit for converting sunlight into electricity by the photovoltaic effect was first established by William Shockley and Hans-Joachim Queisser in 1961 based on the principle of detailed balance. According to their work, a solar cell can reach a limiting efficiency if all loss mechanisms are eliminated and the fluorescence quantum yield is equal to unity. The conversion efficiency for all PV technologies is still considerably lower than the Shockley – Queisser efficiency limit, but perovskite-based ones have demonstrated outstanding optoelectronic properties and high fluorescence quantum yields, which may help get their maximum PV efficiency closer to such limit. In this thesis, we provide several optical routes to optimise the photovoltaic parameters of perovskite solar cells, placing a special emphasis on the open circuit voltage by studying its relation to the absorption and emission of photons by the perovskite layer.

This thesis is organised into five chapters. Chapter 1 serves as an introduction, which includes a discussion of the current world energy demand and available photovoltaic technologies, focusing more on the ones based on perovskite materials. The Shockley – Queisser efficiency limit and power loss mechanism are also described in this chapter. In Chapter 2, we analyse the relationship between open circuit voltage and fluorescence quantum yield in perovskite-based solar cells, both theoretically and experimentally, and discuss the observed deviation from the predicted behaviour. Chapter 3 describes the new fabrication method of high-quality perovskites with low band gaps and big grain size is described. The two-step compact PbI2-templated growth method facilitated the achievement of solar cells with high fluorescence quantum yield and open circuit voltage. In Chapter 4, we developed a model and optimisation algorithm to find the optimum photonic structures to optically enhance the photovoltaic parameters for different band gap perovskite solar cells. Theoretical results from this chapter suggest that a simple dielectric multilayer placed on top of the substrate of the solar cell can simultaneously improve the open circuit voltage and short circuit current, resulting in a relative gain of power conversion efficiency larger than 4%. Finally, in Chapter 5, the concept theoretically studied in the previous chapter is experimentally implemented. The dielectric multilayer is fabricated and placed on top of a perovskite solar cell, resulting in an enhanced open-circuit voltage and power conversion efficiency.

(Català) Per mitigar la crisi energètica i climàtica que ja estem enfrontant i abordar l'augment del consum d'energia, és fonamental fomentar estratègies de transició energètica. L'èxit de la transició energètica depèn en gran menera de poder transformar el sector energètic mundial de fonts basades en combustibles fòssils a fonts d'emissió de diòxid de carboni neutres o zero. Un estudi de dècades sobre la fotovoltaica ha produït diverses generacions de tecnologies de conversió d'energia solar que no emeten gasos d'efecte hivernacle ni contaminació de l'aire quan funcionen. Tanmateix, tenint en compte que el sol és la Font d'energia més abundant del nostre planeta, en comparació amb els combustibles fòssils, l'ús de la fotovoltaica és encara molt limitat. En aquesta transició dels combustibles fòssils a la fotovoltaica, és essencial millorar l'assequibilitat combinada amb una alta eficiència. En els darrers anys, les cèl·lules solars de perovskita s'han convertit en la tecnologia fotovoltaica de pel·lícula prima més destacada per proporcionar una alta eficiència simultàniament a un baix cost. En aquesta tesi, estudiem cèl·lules solars basades en perovskites i rutes òptiques per maximitzar la seva eficiència de conversió d'energia. El límit teòric per convertir la llum solar en electricitat mitjançant l'efecte fotovoltaic va ser establert per primera vegada per William Shockley i Hans-Joachim Queisser el 1961 basant-se en el principi de l'equilibri detallat. Segons el seu treball, una cèl·lula solar pot assolir una eficiència limitadora si s'eliminen tots els mecanismes de pèrdua i el rendiment quàntic de fluorescència és igual a la unitat. L'eficiència de conversió de totes les tecnologies fotovoltaiques encara és considerablement inferior al límit d'eficiència de Shockley - Queisser, però les basades en perovskita han demostrat propietats optoelectròniques excepcionals i rendiments quàntics de fluorescència elevats, que poden ajudar a apropar la seva màxima eficiència fotovoltaica a aquest límit. En aquesta tesi, proporcionem diverses rutes òptiques per optimitzar els paràmetres fotovoltaics de les cèl·lules solars de perovskita, posant un èmfasi especial en la tensió de circuit obert estudiant la seva relació amb l'absorció i emissió de fotons per part de la capa de perovskita. El capítol 1 serveix com a introducció, que inclou una discussió sobre la demanda mundial actual d'energia i les tecnologies fotovoltaiques disponibles, centrant-se més en les basades en materials perovskites. El límit d'eficiència de Shockley-Queisser i el mecanisme de pèrdua de potència. Al capítol 2, analitzem la relació entre la tensió de circuit obert i el rendiment quàntic de fluorescència en cèl·lules solars basades en perovskita, tant teòricament com experimentalment, i discutim la desviació observada del comportament previst. El capítol 3 descriu el nou mètode de fabricació de perovskites d'alta qualitat amb bandes buides baixes i gran mida de gra. El mètode de creixement compacte de dos passos amb plantilla PbI2 va facilitar l'assoliment de cèl·lules solars amb un alt rendiment quàntic de fluorescència i tensió de circuit obert. Al capítol 4, hem desenvolupat un model i un algorisme d'optimització per trobar les estructures òptiques òptimes per millorar òpticament els paràmetres fotovoltaics per a diferents cèl·lules solars de perovskita. Els resultats teòrics d'aquest capítol suggereixen que una simple multicapa dieléctrica col·locada a la part superior del substrat de la cèl·lula solar pot millorar simultàniament la tensió de circuit obert i el corrent de curtcircuit, donant lloc a un guany relatiu d'eficiència de conversió de potència superior al 4%. En el capítol 5, s'implementa experimentalment el concepte estudiat teòricament en el capítol anterior. La multicapa dielèctrica es fabrica i es col·loca a sobre d'una cèl·lula solar de perovskita, donant com a resultat una tensió de circuit obert millorada i una eficiència de conversió d'energia.