In-Situ Multimodal Analysis of Strain Evolution in Perovskite Solar Cells during Stability Assessment

Abstract

La transició cap a fonts d’energia renovables podria constituir el repte tecnològic més urgent del nostre temps, ja que la demanda elevada i l’ús intensiu de combustibles fòssils provoquen la saturació dels canals de transport, contaminació, escalfament global i el finançament involuntari de conflictes bèl·lics. Davant la crisi energètica global, la tecnologia fotovoltaica ofereix una solució elegant a una font inesgotable i abundant: el sol. Amb la generació d’electricitat solar, es podria reduir la necessitat d’una xarxa elèctrica extensa, i el cost total i la contaminació associada a un panell solar es concentren principalment al començament i al final de la seva vida útil.

Les cèl·lules solars de perovskita (PSC, per les seves sigles en anglès) es presenten com una opció prometedora per a una producció fotovoltaica flexible, econòmica, lleugera i ajustable, amb potencial per revolucionar el subministrament elèctric fora de xarxa i possibilitar aplicacions fins ara inviables. El principal obstacle per a la seva comercialització és la manca d’una estabilitat garantida. Davant la presència de múltiples fenòmens d’inestabilitat potencials, tant reversibles com irreversibles, es fa necessària una comprensió més profunda dels mecanismes responsables de la degradació o el fracàs amb el temps. La detecció precoç d’inestabilitat sota qualsevol excitador inevitable esdevindrà cada vegada més essencial en dispositius amb una durabilitat incrementada.

Els estudis d’aquesta tesi tenen com a objectiu desenvolupar procediments de caracterització que permetin entendre millor el comportament de les PSC en funcionament, centrant-se en els processos físics i químics implicats. Es van dur a terme diverses proves d’estabilitat operativa in-situ mitjançant difracció de raigs X (XRD), fotoluminescència (PL) i espectroscòpia d’impedància electroquímica (EIS). L’estudi comparatiu amb PSC modificades mitjançant enginyeria d’additius en els precursors de perovskita i capes interlaminars va permetre identificar fenòmens de degradació i l’activació dels additius.

En conjunt, el treball demostra els avantatges de les tècniques in-situ per comprendre els fenòmens de degradació reversibles i irreversibles a les PSC, en particular aquells provocats per tensió mecànica. Les troballes inclouen l’expansió de la xarxa cristal·lina per excés de portadors, la formació de barreres iòniques interfacials, la tensió tèrmica i la descomposició superficial de gra. Les conclusions sobre l’eficàcia i limitacions dels additius fosfonats i les capes interlaminars de MXene aporten una base sòlida per a futures estratègies de millora de l’estabilitat.

Els principals missatges d’aquesta tesi són el valor afegit de la caracterització in-situ en l’anàlisi de l’estabilitat, la relació entre la tensió mecànica i els mecanismes de degradació, i les estratègies d’enginyeria d’additius per allargar la vida útil de les PSC

La transición hacia fuentes de energía renovables podría representar el desafío tecnológico más urgente de nuestro tiempo, ya que la elevada demanda y el uso de combustibles fósiles provocan la saturación de los canales de transporte, contaminación, calentamiento global y el financiamiento involuntario de conflictos bélicos. Ante esta crisis energética global, la energía fotovoltaica ofrece una solución elegante a una fuente inagotable presente en exceso: el sol. Mediante la generación de electricidad solar, puede reducirse la necesidad de una red eléctrica extensa, y el coste total y la contaminación de un panel solar se concentran únicamente al inicio y al final de su vida útil. Las células solares de perovskita (PSC, por sus siglas en inglés) se perfilan como una alternativa prometedora para la producción fotovoltaica flexible, económica, ligera y ajustable, que podría revolucionar el suministro energético fuera de la red y permitir aplicaciones previamente inalcanzables. No obstante, el principal obstáculo para su comercialización es la garantía de estabilidad. Existen múltiples fenómenos potenciales de inestabilidad, tanto reversibles como irreversibles, cuyos mecanismos de degradación o fallo requieren una comprensión más profunda. La detección de signos iniciales de inestabilidad bajo condiciones de estrés inevitables será cada vez más crucial en dispositivos más duraderos. Los estudios presentados en esta tesis tienen como objetivo desarrollar procedimientos de caracterización que permitan una mejor comprensión del sistema PSC en funcionamiento, considerando los procesos físicos y químicos implicados. Se realizaron diversas pruebas de estabilidad operativa in-situ utilizando difracción de rayos X (XRD), fotoluminiscencia (PL) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). Comparaciones con PSCs modificadas mediante aditivos en los precursores de perovskita e incorporación de capas interfaciales permitieron descubrir fenómenos de degradación y la activación de dichos aditivos

En general, este trabajo demuestra las ventajas del uso de métodos in-situ para comprender fenómenos de degradación reversibles e irreversibles en PSC, particularmente aquellos relacionados con tensiones mecánicas. Los hallazgos incluyen la expansión de red inducida por portadores en exceso, la formación de barreras iónicas interlaminares, la tensión térmica y la descomposición superficial de granos. Las conclusiones extraídas sobre los aditivos fosfonatos y las capas interlaminares de MXene proporcionan una hoja de ruta para futuras mejoras en la estabilidad de PSC.

Los mensajes principales de esta tesis son: el valor añadido que aportan las técnicas in-situ en el análisis de estabilidad, la relación entre tensión mecánica y los mecanismos de degradación, y las estrategias de ingeniería de aditivos para extender la vida útil de las PSC

The transition to renewable energy sources could be the most pressing technological challenge of our time, as the high demand and use of fossil fuels cause overpopulated transportation channels, contamination, global warming, and unintentionally fund wars. In resolve of the global energy crisis, photovoltaics is an elegant solution to a non-exhaustive source of energy, the sun. With solar generated electricity, the need for an extensive grid could be reduced, and a solar panel is only producing costs (apart from area and/or cleaning) and waste at the start and end of its life.

Perovskite Solar Cells (PSCs) show promise for flexible, cheap and lightweight photovoltaics. These tuneable photovoltaic devices could revolutionize off-grid power supply and can bring the technology to places and applications previously not possible. Stability guarantee is the main hurdle that stands in the way of PSC commercialization. With many potential instability-phenomena, both reversible and irreversible, the PSC performance decreases over time or fails suddenly, thus further understanding is needed. Detection of initial instability under any unavoidable stressors that PSCs need to endure will be more important in ever more durable PSCs.

The studies in this thesis aim to develop characterization procedures that lead to greater understanding of the PSC system under operation in regards to physical and chemical processes. Several in-situ operational stability tests were performed using X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Comparison studies with PSCs using stability-enhancing modifications such as perovskite precursor additive engineering and interfacial layers led to discoveries of both degradation phenomena and actuation of the additives.

In general, the thesis work demonstrated advantages with in-situ methods towards understanding reversible and irreversible decline in PSC by revealing several degradation phenomena, specifically related to strain-provoked breakdown. Findings include lattice expansion by excess carrier conditions and their relation to interfacial ionic barrier formation, interfacial strain during thermal expansion, and the relation of grain surface decomposition with ion conductivity at elevated temperatures. The conclusions of this work regarding the efficacy and limitations of phosphonate additives and MXene interlayers to stabilize PSC set a roadmap for further stability-enhancing efforts and evaluations.

The principal take-home messages from this thesis are the added value provided by in-situ characterization during stability analysis, the relation of strain to reversible and irreversible degradation phenomena in PSCs, and additive engineering strategies to enhance PSC lifetimes.