Please use this identifier to cite or link to this item:
https://hdl.handle.net/20.500.14279/26663
Title: | Metal-oxide interfaces and additive engineering for high performance perovskite solar cells | Authors: | Ioakeimidis, Apostolos | Keywords: | Perovksite solar cells;Interface engineering;Metal oxide interfaces;Solution combustion synthesis;perovskite doping | Advisor: | Choulis, Stelios A. | Issue Date: | 23-Nov-2021 | Department: | Department of Mechanical Engineering and Materials Science and Engineering | Faculty: | Faculty of Engineering and Technology | Abstract: | The need for renewable energy sources has become a necessity for a prosperous future of human society. Moreover, for the establishment of renewable technologies it is demanded to lower even more the cost. Thus, perovskite solar cells, as a promising candidate for the next generation PVs, require new materials and processes in order to increase the reliability and power conversion efficiency while also lower the cost enabling perovskite PVs to become a competitive, mainstream PV technology. In this Thesis, it is first shown the fabrication of metal-oxide NiCo2O4 thin film using doctor blade coating, which is synthesized by the low-energy demanding synthesis of solution combustion. The film is introduced as an efficient hole transporting layer (HTL) layer in a 230 nm thick MAPbI3 perovskite active layer for the fabrication of solar cells. The devices deliver a PCE in the range of 15.5 %, with negligible hysteresis for a 15 nm optimum thickness NiCo2O4 layer. A thicker MAPbI3 perovskite layer (~350 nm) was applied to enhance the PCE of the devices, following the literature reported optimum thickness for the particular perovskite formulation. The resulted perovskite solar cells exhibited a lower PCE mainly due to a reduction of the fill factor and Voc, ascribed to higher recombination at the NiCo2O4/perovskite interface given that a higher number of hole charge carriers reach the interface before they are collected. To overcome this limitation NiCo2O4 is further modified by co-doping with Li and Cu improving the selectivity and transport properties of the contacts by proper modifications of the energetic levels and by increasing the electrical conductivity of the charge carriers, respectively. The engineered Cu, Li doped NiCo2O4 resulted in higher PCE perovskite solar cells (16.5%) due to improved interface properties. Then, by deeper investigation of the solution combustion synthesis method, we study a range of applied temperatures (150, 200 and 300 oC) and fuel concentration (acetylacetonate) (without, 0.1 and 1.5 ratio to oxidizer) for the fabrication of metal-oxide Cu:NiOx. The objective was to identify the lowest required temperature for the synthesis of functional and high performing Cu:NiOx HTL for use as HTL in perovskite solar cells. It is revealed that solution combustion synthesis behavior of Cu:NiOx films is different compared to bulk analogues, supporting reports which concluded that the low temperature solution combustion synthesis of crystalline materials is unlikely to occur in thin films. Specifically, we show that the required temperature for the synthesis of crystalline Cu:NiOx films in around 300 oC which is higher compared to bulk analogue where a complete combustion process occurs at ~150 oC resulting in crystalline bulk forms. The various temperature and fuel concentration processed Cu:NiOx films were introduces in Cs0.04(MA0.17FA0.83)0.96 Pb(I0.83Br0.17)3 based perovskite solar cells showing that the devices annealed at temperatures 150 and 200 oC delivered limited PCE solar cells, while on the other hand the 300 oC annealed Cu:NiOx resulted in high performing perovskite solar cells. The highest performing devices obtained for Cu:NiOx precursor ink annealed at 300oC containing 0.1 ration of acetyl acetonate delivering a PCE of 16.58 %. Finally, by applying the optimized conditions for the combustion synthesis (300 oC and 0.1 ratio acetylacetonate) undoped NiOx films are used as HTL in perovskite solar cells based on the methylammonium free perovskite formulation CsFAPBI3 where the hybrid perovskite active layer was engineered by molecular additive to improve the reliability and the humidity degradation resistance. Nitrobenzene was selected as additive (1% v/v) considering the nitro group which can interact with PbI6 cage of the perovskite leading to a passivation effect and the benzene group is a hydrophobic group that can protect from moisture ingress. The engineered devices delivered a higher Voc compared to unmodified reference with the best devices PCE in the range of 18 %, ascribed to structural defect passivation. Also, the additive based devices delivered a higher mean PCE with much narrower distribution due to reduced roughness/thickness inhomogeneity of the perovskite layer. The additive usage improved the air stability with the most stable device retaining over 85% of its initial PCE after 1500 h in air, whereas the additive-free devices decline by more than 65%. Improved humidity degradation resistance was further demonstrated by accelerated humidity study (75% relative humidity (RH)) confirming the enhancement of devices stability owing to the defect passivation and inhibition of moisture permeation effects induced by the use of Nitrobenzene. | Description: | Η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει καταστεί αναγκαίας για ένα όπου η ανθρώπινη κοινωνία θα ευημερεί. Επιπλέον, για την καθιέρωση των ανανεώσιμων πηγών απαιτείται να μειωθεί παραιτείτο το κόστος τους. Έτσι, τα φωτοβολταϊκά αποτελούμενα από περοβσκίτη, ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την επόμενη γενιά φωτοβολταϊκών, απαιτεί νέα υλικά και επεξεργασίες με σκοπό την βελτίωση της αξιοπιστίας και της ενεργειακή τους απόδοσης όπως και τη περαιτέρω μείωση του κόστους τους ώστε να καταστούν μια ανταγωνιστική και ευρέος διαδεδομένη τεχνολογία φωτοβολταϊκών. Σε αυτή την εργασία, αρχικά παρουσιάζεται η παρασκευή του μέταλλο οξειδίου NiCo2O4 σε δομή λεπτού υμενίου με τη χρήση την μέθοδο Doctor Blade, εφαρμόζοντας την τεχνική solution combustion synthesis η οποία απαιτεί μικρότερη ενέργεια για τον σχηματισμό του μέταλλο οξειδίου. Έπειτα, Το υμένιο χρησιμοποιείται ως επαφή επιλογής οπών (hole selective contact) (HTL) σε φωτοβολταϊκά ενεργού στρώματος περοβσκίτη (MAPbI3) πάχους 230 νανομέτρων (nm). Η ενεργειακή απόδοση των συσκευών ήταν περίπου 15.5% με ελάχιστη υστέρηση όταν το πάχος του NiCo2O4 είναι 15 nm. Έπειτα παρασκευάστηκε αντίστοιχο φωτοβολταϊκό όπου το πάχος του φωτοενεργού στρώματος (MAPbI3) αυξήθηκε στα 350 nm με στόχο την αύξηση της ενεργειακή απόδοσης της συσκευής, δεδομένου ότι αυτό είναι το ιδανικό πάχος για το συγκεκριμένο τύπο περοβσκίτη βάση της βιβλιογραφίας. Η συσκευή απέδωσε χαμηλότερα λόγω της μείωσης του συντελεστή πλήρωσης (Fill Factor) (FF) και της τάσης ανοικτού κυκλώματος (open circuit voltage) (Voc), η οποία μείωση αποδόθηκε στην υψηλότερη επανένωση ηλεκτρικών φορέων στην διεπιφάνεια NiCo2O4/ MAPbI3, δεδομένου ότι μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρικών οπών φτάνει στην διεπιφάνεια πριν την συλλογή τους. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός το NiCo2O4 ντοπαρίστηκε με Λίθιο (Li) και χαλκό (Cu) βελτιώνοντας της επιλεκτικότητα και τη κίνηση των ηλεκτρικών οπών μέσω τη μετατόπισης των ενεργειακών καταστάσεων και της βελτίωσης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του, αντίστοιχα. Το ντοπαρισμένο NiCo2O4 συντέλεσε στην αύξηση της ενεργειακής απόδοσης της συσκευής στο 16.5% που αποδίδεται στα βελτιωμένα χαρακτηριστικά της διεπιφάνειας. Έπειτα, μελετώντας σε περισσότερο βάθος οι παράμετροι της μεθόδου solution combustion synthesis, εφαρμόζοντας διάφορες θερμοκρασίες (150, 200 και 300 οC) και συγκεντρώσεις του fuel (acetylacetonate) (χωρίς fuel, 0.1 και 1.5 αναλογία σε σχέση με το oxidizer) για την παρασκευή του μέταλλο οξειδίου Cu:NiOx. Σκοπός ήταν η εύρεση της χαμηλότερης δυνατής θερμοκρασίας σύνθεσης για την παρασκευή λειτουργικών Cu:NiOx υμενίων ώστε να χρησιμοποιηθούν ως HTL σε φωτοβολταϊκά τύπου περοβσκίτι. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η σύνθεση Cu:NiOx υμενίων με τη χρήση της μεθόδου solution combustion synthesis έχει διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με το αντίστοιχο bulk υλικό, σε αντιστοιχία με προηγούμενες αναφορές πως η solution combustion synthesis σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι απίθανο να παράξει λεπτά υμένια με κρυσταλλική δομή. Συγκεκριμένα, δείχνεται πως η σύνθεση κρυσταλλικών λεπτών υμενίων Cu:NiOx απαιτηεί θερμική επεξεργασία κοντά στους 300 οC, η οποία είναι αρκετά υψηλότερη σε σχέση με την αναγκαία θερμοκρασία που είναι 150 οC για την παρασκευή κρυσταλλικού bulk Cu:NiOx. Τα λεπτά υμένια Cu:NiOx που παρασκευάστηκαν εφαρμόζοντας τις διάφορες θερμοκρασίες και συγκεντρώσεις fuel χρησιμοποιήθηκαν σε φωτοβολταϊκά τύπου περοβσκίτι Cs0.04(MA0.17FA0.83)0.96 Pb(I0.83Br0.17)3 , εξάγοντας το αποτέλεσμα πως οι συσκευές που περιείχαν Cu:NiOx με θερμική επεξεργασία στους 150 και 200 οC συντελούσαν σε φωτοβολταικά με περιορισμένη ενεργειακή απόδοση, ενώ αυτές που περιείχαν Cu:NiOx με θερμική επεξεργασία στους 300 οC συμβάλλαν στην παρασκευή συσκευών με υψηλή ενεργειακή απόδοση. Η αποδοτικότερη συσκευή επετεύχθει με θερμική επεξεργασία στους 300 οC πρόδρομου διαλύματος Cu:NiOx που περιείχε 0.1 αναλογία acetylacetonate με αποτέλεσμα φωτοβολταϊκό ενεργειακής απόδοσης 16.58%. Τέλος, εφαρμόζοντας τις βέλτιστες συνθήκες (300 οC και 1.5 αναλογία acetylacetonate) παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο solution combustion synthesis λεπτά υμένια NiOx που χρησιμοποιήθηκαν ως HTL σε φωτοβολταϊκά περοβισκίτη που δεν περιέχουν methylammonium (CsFAPbI3) όπου το φωτοενεργό στρώμα του περοβσκίτη επεξεργάστηκε με τη χρήση μοριακών προσθέτων για να βελτιωθεί η αξιοπιστία και αντίσταση στη μείωση της απόδοσης από την επίδραση της υγρασίας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το νιτροβενζόλιο ως πρόσθετο (1% v/v) δεδομένου πως η ‘’νιτρο-ομάδα’’ μπορεί να αλληλοεπιδράσει με την ομάδα PbI6 του περοβσκίτη αδρανοποιώντας σφάλματα δομής του και η φαινυλομάδα είναι υδρόφοβη ομάδα προστατεύοντας από την είσοδο της υγρασίας. Στις συσκευές που χρησιμοποιήθηκε το πρόσθετο παρουσίασαν υψηλότερη Voc, σε σχέση με τις συσκευές που δεν το περιείχαν, με την μετρούμενη απόδοση της βέλτιστης συσκευής να είναι στο 18 %, το όποιο αποδίδεται στην αδρανοποίηση των σφαλμάτων δομής. Επίσης, η συσκευές που περιείχαν το πρόσθετο παρουσίασαν πολλή μικρότερη διασπορά στις αποδόσεις εξ’ αίτιας της μειωμένης ανομοιογένειας στο πάχος του φωτοενεργού στρώματος (περοβσκίτη). Η χρήση του πρόσθετου βελτίωσε τη σταθερότητα της απόδοσης της συσκευής η οποία εκτέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος με τη πιο σταθερή να διατηρεί περισσότερο από το 85% της αρχικής απόδοσης μετά από 1500 ώρες, ενώ η συσκευή ελέγχου έχασε πάνω από το 65 % της αρχικής απόδοσης. Επιπρόσθετες μελέτες σε περιβάλλον αυξημένης υγρασία (75% σχετική υγρασία(RH)) έδειξαν πως η αντίσταση στην μείωση στης απόδοσης βελτιώθηκε επιβεβαιώνοντας την αύξηση της σταθερότητας των συσκευών με τη χρήση του νιτροβενζολίου, εξ ‘ αιτίας της αδρανοποιήσεις των σφαλμάτων δομής και της προστασίας από την είσοδο της υγρασίας. | URI: | https://hdl.handle.net/20.500.14279/26663 | Rights: | Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κάτοχου των πνευματικών δικαιωμάτων. Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International |
Type: | PhD Thesis | Affiliation: | Cyprus University of Technology |
Appears in Collections: | Διδακτορικές Διατριβές/ PhD Theses |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
PhD dissertation Apostolos Ioakeimidis_0.pdf | Fulltext | 8.32 MB | Adobe PDF | View/Open |
CORE Recommender
Page view(s) 50
358
Last Week
3
3
Last month
13
13
checked on Aug 28, 2024
Download(s) 50
186
checked on Aug 28, 2024
Google ScholarTM
Check
This item is licensed under a Creative Commons License