Eco-friendly solar cells with cation-engineered AgBiS2 nanocrystals

Abstract

(English) Climate change and global energy demand urge the development of renewable energy sources for worldwide power supply. Photovoltaic devices that convert solar energy directly into electricity are the most promising, if not the only, technique to meet the requirements. Solution-processed solar cells are especially attractive due to their lightweight, low cost, and large-area mass manufacturing features. Among solution-processed materials, nanocrystals are one of the most promising, thanks to their material-property tunabilities, such as size, morphology, composition, electronic and optical properties, just to name a few. In the last decade, nanocrystal solar cells are mainly based on lead chalcogenide nanocrystals, although they face problems related to the toxicity of the element lead. Silver-bismuth sulfide nanocrystals are excellent substitutes for lead chalcogenides, thanks to their adequate bandgaps and extraordinarily high absorption coefficients. However, the energy conversion efficiency has lagged behind their toxic counterparts, mainly due to limited charge-carrier diffusion length and uncontrolled cation-disorder. In this thesis, we pinpoint the detrimental effects of cation inhomogeneity in ternary silver bismuth sulfide nanocrystals and further homogenize the cation-disorder by a facile post-annealing process, leading to absorption coefficients higher than any other commonly used solar materials over a wide range of 400 - 1000 nm. The cation-disorder configuration transition was further confirmed by the combination of ab initio density functional theory calculation and experimental material characterizations. Further optical modelling suggested a 30nm absorber layer possesses the potential for high Jsc up to 30 mA/cm2 and efficiency up to 26%. In addition to optical absorption enhancements, we also found elongated diffusion length up annealing, pointing to an anticipated high performance with ultrathin absorber. Ultrathin solar cells were thus fabricated with specially designed architecture and we achieved a record efficiency up to 9.17%, independently certified as 8.85% by Newport. The ultrathin solar cells also showed excellent stability under ambient conditions. In order to comply with mass manufacturing processes, we developed a solution-phase ligand-exchange procedure based on aqueous nanocrystal inks that enable single-step deposition of the active layer, reducing drastically the number of processing steps. Solar cell devices were built with the nanocrystal inks based on single-step deposition process and they showed a promising efficiency up to 7.3%, much higher than previous ink device record. In sum, we have achieved record-high performance, exceptionally stable AgBiS2 nanocrystal solar cells with both solid-state and solution-phase ligand-exchange procedures. This work sets a landmark for the development of environmentally friendly, low-temperature, solution-processed inorganic solar cells and opens a new field of engineering the atomic configuration of semiconductors as a means to achieve extraordinary optoelectronic properties.

(Español) El cambio climático y la demanda mundial de energía urgen el desarrollo de fuentes de energía renovables para el suministro de energía en todo el mundo. La generación de energía fotovoltaica, que consiste en la conversión de la energía solar directamente en electricidad, es el sistema más prometedor, sino el único, para satisfacer estas necesidades. La fabricación de células solares a partir de materiales en disolución es uno de los procesos emergentes especialmente atractivo por sus beneficiosas propiedades como la ligereza de los dispositivos, el bajo coste, la posibilidad de fabricación en masa, etc. Entre los materiales procesados en solución, los nanocristales son extremadamente prometedores, gracias a su habilidad de modificar sus propiedades ópticas y electrónicas dependiendo de su tamaña, morfología y composición. En la última década, las células solares de nanocristales se han basado principalmente en nanocristales de calcogenuro de plomo, aunque estas presentan problemas relacionados con la toxicidad del elemento plomo. Los nanocristales de sulfuro de bismuto y plata pueden ser excelentes sustitutos de estos materiales, ya que tienen brechas de banda adecuadas y altos coeficientes de absorción. Sin embargo, la eficiencia de conversión de energía ha quedado por detrás de sus homólogos tóxicos, debido principalmente a que presentan una corta distancia de difusión y desorden catiónico descontrolado. En esta tesis se han determinado los efectos perjudiciales de la heterogeneidad catiónica en los nanocristales ternarios de sulfuro de bismuto y plata y, además, se ha desarrollado un procedimiento de recocido sencillo para homogeneizar este desorden catiónico que permite obtener coeficientes de absorción ultra elevados, superiores a los de cualquier otro material de uso común en aplicaciones fotovoltaicas en un amplio rango de 400 a 1000 nm. La transición de la configuración catión-desorden se confirmó además mediante la combinación de cálculos de la teoría del funcional de la densidad ab initio y caracterizaciones experimentales del material. Otros modelos ópticos sugirieron que una capa ultrafina absorbente de 30 nm posee el potencial para lograr un alto Jsc de hasta 30 mA/cm2 y una eficiencia de hasta el 26%. Además de la mejora de la absorción óptica, se ha demostrado que después del tratamiento de recocido se elonga la distancia de difusión. Este resultado anticipa un alto rendimiento usando absorbentes ultrafinos. Las células solares ultrafinas se diseñaron y fabricaron con una arquitectura especial que alcanzó una eficiencia récord de hasta el 9,17%, certificada independientemente por NewPort como 8,85%. Asimismo, la célula solar ultrafina también mostró una excelente estabilidad en condiciones ambientales. Con el fin de compatibilizarlo con los procesos de fabricación en masa, se ha desarrollado un procedimiento de intercambio de ligandos en fase de solución que nos permite obtener tintas acuosas de nanocristales. Los dispositivos de células solares se fabrican mediante un proceso de deposición de las tintas de nanocristales en un solo paso. Estos dispositivos mostraron una eficiencia de hasta el 7,3%, muy superior a los registros anteriores de dispositivos de tinta. En resumen, se han fabricado celdas solares basadas en nanocristales de AgBiS2 que alcanzon un rendimiento récord, a partir de dos métodos diferentes: un procedimiento en estado sólido y uno de intercambio de ligandos en disolución. Este trabajo marca un hito en el desarrollo de células solares inorgánicas respetuosas con el medio ambiente, de baja temperatura y procesadas en solución, y abre un nuevo campo de ingeniería de la configuración atómica de los semiconductores como medio para conseguir propiedades optoelectrónicas extraordinarias.