تحسين استقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية عن طريق إضافة المذيبات وهندسة الواجهة
Title Improving the stability of perovskites solar cells by solvent-additive and interface engineering
الباحث الرئيس براء محمد الحوري
التخصص: الفيزياء
المستخلص: من الواضح أن المملكة العربية السعودية مهتمة بتطوير ودعم مصادر الطاقات البديلة والمتجددة، وهذا يساهم في تحقيق رؤيتها الطموحة 2030. وتعتبر الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة المتجددة، ويتوقع الباحثون أن خلايا البيروفسكايت الشمسية هو المستقبل الواعد للطاقة الشمسية والأكثر تطبيقًا على الأرض، لكنه لا يزال في طور البحث والتطوير.
الهدف من هذه الأطروحة هو تحسين الاستقرار البيئي والتشغيلي لخلايا بيروفسكايت الشمسية (PSCs) عن طريق إضافة المذيبات وهندسة الواجهة. من المعروف جيدًا أن البيروفسكايت الهاليد المعدني عبارة عن موصل مختلط به حاملات شحن إلكترونية وأيونية. بسبب طاقة التنشيط المنخفضة تهاجر الأنيونات الهاليد (X−: I−، Cl− ، -Br) نحو طبقة نقل الإلكترون (ETL) ، تاركة وراءها شغورًا كاتيونيًا (VX+) ، والتي تهاجر في الاتجاه المعاكس وتتراكم عند البيروفسكايت / واجهة التلامس الانتقائي للشحنة (CSC) ، تؤدي إلى مراعاة تباطؤ JV الشاذ وعدم الاستقرار الكهربائي. علاوة على ذلك، تعمل الشحنة الأيونية المتراكمة في الواجهة كمركز إعادة التركيب غير الإشعاعي، مما يؤثر على أداء الجهاز من حيث الجهد والتيار المنخفض للدائرة المفتوحة، وبالتالي يؤدي إلى تدهور كفاءة تحويل الطاقة لشبكات PSCs.
في الأطروحة الحالية، قمنا بتصنيع ثلاثي يوديد الرصاص السيزيوم (CsPbI3)، فورماميدينيوم يوديد الرصاص (FAPbI3)، ثلاثي يوديد الرصاص فورماميدينيوم المشبع بـCs (CsFAPI3)، وأغشية البيروفسكايت الرقيقة ذات الثبات العالي باستخدام مسحوق مركب مسبقًا، المذيبات والمعالجة الحرارية لمسحوق السلائف.
يوديد الرصاص السيزيوم CsPbI3 هو أحد المركبات الواعدة المستخدمة في خلايا البيروفسكايت الشمسية، خاصة في الخلايا الشمسية الترادفية مع السيليكون، نظرًا لخصائصه الكهروضوئية المميزة، ويمتلك CsPbI3 أربعة أطوار، ثلاثة منها سوداء وواحدة صفراء، والتحدي الرئيسي هو تحقيق الطور الأسود والحفاظ على استقراره. تتطلب المرحلة السوداء من CsPbI3 درجة حرارة عالية (> 320 درجة مئوية). في هذه الرسالة، قمنا بإعداد CsPbI3 في المرحلة السوداء عند درجة حرارة منخفضة (55 درجة مئوية) عن طريق تلدين محلول السلائف لعدة ساعات ومراقبة التغيرات في الخصائص البصرية والفيزيائية الضوئية. علاوة على ذلك، لتحقيق استقرار المرحلة السوداء من CsPbI3، تم استخدام العديد من المذيبات المضافة أثناء تصنيع فيلم البيروفسكايت. تم تقييم أدنى فجوة في نطاق الطاقة لـ CsPbI3 لتكون 1.61 فولت، وهي تتوافق مع المرحلة السوداء. بلغ ذروة انبعاث التلألؤ الضوئي (PL) لأفلام CsPbI3 حوالي 700 نانومتر. لم يكن هناك فرق معنوي عند استخدام المذيبات المضافة، بينما يتم إخمادها بالكامل في وقت ما من التلدين. حصل PL (TRPL) الذي تم حله بمرور الوقت لـ CsPbI3 + TEA على أبطأ وقت تحلل مع 11.44 نانوثانية، وكان أيضًا أبطأ في أوقات مختلفة من التلدين بشكل عام، وكان TRPL للمجموعات الأخرى حوالي 7.62 نانوثانية. يمنح وقت الشحن الطويل للجهاز أداءً أفضل.
كانت التجربة الثانية هي تصنيع الأغشية الرقيقة لـ FAPbI3 والكاتيون المختلط CsFAPbI3 بيروفسكايت من خلال مساحيق مسبقة التصنيع. تم فحص هذه الأفلام من خلال مقياس القطع الطيفي (SE) وأطياف التألق التي تم حلها بالزمن (TRFS) وقياسات تأثير هول. تم تقييم معامل الانكسار المعقد لأغشية البيروفسكايت من خلال ملاءمة بيانات SE المقاسة مع نموذج المذبذب ثلاثي Tauc-Lorentz (T-L). لوحظ أن الفيلم الرقيق CsFAPI perovskites له معامل انكسار أعلى وثابت عازل مقارنة بـ FAPI، ومع ذلك، فإنه يحتوي على معامل امتصاص أقل قليلاً. لوحظ ذروة انبعاث التلألؤ الضوئي (PL) لفيلم FAPI و CsFAPI على ركائز زجاجية عند 803 نانومتر و 799 نانومتر ووجد أنه تم إخماده تمامًا عند وضعه بين HTL و ETL، ويعزى ذلك إلى نقل الشحنة بين طبقات البيروفسكايت وطبقات استخراج الشحنة. أخيرًا، لوحظ أن أفلام CsFAPI perovskites تعرض عمرًا أطول لحامل الشحنة، وحركة أعلى للحامل ومقاومة كهربائية أقل، وبالتالي من المتوقع أن تقدم أداء أفضل للجهاز.
أخيرًا، تم تصنيع PSCs في التكوينات المقلوبة (p-i-n). ITO / EDOT: PSS / perovskites / PCBM / BCP/Ag. ينتج الجهاز المصنّع أداءً اسميًا يبلغ 0.09٪ بجهد دائرة مفتوحة (VOC) يبلغ 146 مللي فولت، وتيار دائرة قصر (JSC) يبلغ 0.22 مللي أمبير / سم 2 وعامل تعبئة (FF) يبلغ 0.28. لوحظ تحسن أداء الجهاز إلى 0.23٪ بعد 48 ساعة بسبب تعزيز المركبات العضوية المتطايرة إلى 393 مللي فولت، و FF إلى 0.35.
Abstract: It is clear that the Kingdom of Saudi Arabia is interested in developing and supporting sources of alternative and renewable energies, and this contributes to achieve its ambitious vision 2030. Solar energy considered as one of the most important sources of renewable energy, and researchers expect that the generation of perovskite solar cells (PSCs) is the most promising future for solar energy and the most applied on the ground, but it is still in the process of research and development. The aim of this thesis is to improve the environmental and operational stability of PSCs by solvent-additive and interface engineering. It is well known that the metal halide perovskites are mixed conductor having both electronic and ionic charge carriers. Owing to low activation energy, halide anions (X−: I−, Cl−, Br−) migrate toward the electron transport layer (ETL), leaving behind cationic vacancy (VX+), which migrate in opposite direction and accumulates at the perovskites/charge selective contact (CSC) interface, result in observance of anomalous J-V hysteresis and electrical instability. Moreover, the accumulated ionic charge at interface act as Shockley-Read-Hall (SRH) nonradiative recombination center, impacting the device performance in terms of low open-circuit voltage and current, consequently deteriorate the power conversion efficiency of PSCs.
In the present thesis we fabricated the Cesium lead triiodide (CsPbI3), Formamidinium Lead Iodide (FAPbI3), Cs-doped Formamidinium lead triiodide (CsFAPI3), and methylammonium lead triiodide (MAPbI3) perovskites thin films with high stability using pre-synthesized precursor powder, solvent additive and thermal treatment of precursor powder.
One of the potential candidates for PSCs is cesium lead iodide (CsPbI3), which exhibits remarkable photovoltaic properties and can be integrated with Si-based tandem solar cells. However, CsPbI3 has four polymorphic phases, among which only the black phases are optically active, while the yellow phase is detrimental to the device performance. Therefore, obtaining and maintaining the black phases of CsPbI3 are the main challenges in this field. The conventional method to synthesize the black phases of CsPbI3 requires high-temperature annealing (> 320 °C), which is not compatible with low-cost and flexible substrates. In this thesis, we report a low-temperature (55 °C) route to prepare CsPbI3 in the black phase by annealing the precursor solution for several hours and investigating the changes in the optical and photophysical properties. Furthermore, we explore the effects of various additive-solvents on the stability of the black phases of CsPbI3 during the film fabrication process. The optical band gap of CsPbI3 was determined to be 1.61 eV, corresponding to the black phases. The photoluminescence (PL) emission peak of CsPbI3 films was around 700 nm, and it was not significantly affected by the additive-solvents, while it completely disappeared after some annealing time. The time-resolved PL (TRPL) measurements showed that CsPbI3 + TEA had the longest charge carrier lifetime of 11.44 ns, and it also exhibited slower decay rates at different annealing times compared to other groups, whose TRPL lifetimes were about 7.62 ns. The longer charge carrier lifetime implies a better device performance.
The second experiment involved the fabrication of thin films of FAPbI3 and mixed cation CsFAPbI3 perovskites using pre-synthesized powders. The optical and electrical properties of these films were characterized by spectroscopic ellipsometry (SE), TRPL and Hall effect measurements. The complex refractive index of the perovskite films was obtained by fitting the SE data with the three-oscillator Tauc-Lorentz (T-L) model. The results showed that the CsFAPI perovskite film had a higher refractive index and dielectric constant than the FAPI film, but a slightly lower absorption coefficient. The PL emission peaks of the FAPI and CsFAPI films on glass substrates were located at 803 nm and 799 nm, respectively, and were completely quenched when the films were sandwiched between the hole transport layer (HTL) and the ETL, indicating efficient charge transfer between the perovskite and the charge extraction layers. Moreover, the CsFAPI perovskite film exhibited a longer charge carrier lifetime, a higher carrier mobility and a lower electrical resistivity than the FAPI film, which suggested a better potential for device performance.
The PSCs were fabricated in an inverted (p-i-n) configuration with the structure of ITO/PEDOT:PSS/perovskite/PCBM/BCP/Ag. The initial performance of the device was 0.09% with an open circuit voltage (VOC) of 146 mV, a short circuit current (JSC) of 0.22 mA/cm2 and a fill factor (FF) of 0.28. The performance of the device improved to 0.23% after 48 hours due to an increase in VOC to 393 mV and FF to 0.35.