Inkjet-printed Functional Materials for Perovskite Solar Cells

Abstract

Tillverkning av laboratorieskalig pervovskita solceller (PSCs) domineras av spinnbeläggningsmetoden, vilken kasserar det mesta av prekursormaterialen och är inte kompatibel med storskalig production av PSCs. Bläckstråleutskrift tillhandahåller en lösning för att skala upp tillverkningen av PSCs till en låg kostnad, avfallsfritt, och hållbart sätt. I denna avhandling visar vi effektiviteten hos bläckstråletekniken vid tillverkning av funktionella material för PSCs. Utskriftsprocesserna utvecklas för deposition av funktionella material, dvs elektrontransponerande lager (ETLs), perovskitabsorberande lager såväl som transporterande lager (HTLs). Vi strävar också efter att förbättra effektomvandlingseffektiviteten (PCE) hos enheter som använder bläckstråletryckta ETLs och perovskitskikt. Olika mätningar och analyser genomförs för att tillhandahålla insikter i förbättringsmekanismerna. Det arbete som har vidtagits i denna avhandling framgår nedan:

Tryckprocesserna för insättning av TiO₂, SrTiO₃, och SnO₂ ETLs utvecklas. Ett samlösningsmedel har visat sig vara gynnsamt för bildandet av effektiva ETLs och den enhetens eventuella prestanda. En PCE på 17,37% realiseras för PSC-enheten med en bläckstråleuttryckt SnO₂ ETL, som överträffar både de SrTiO₃-baserade (15,73%) och TiO₂-baserade (12,42%) enheterna.

SnO_x ETL syntetiseras och deponeras via en bläckstråleutskriftsprocess. Effekterna av glödgningstemperaturen för efterbearbetning av det avsatta prekursorskiktet på egenskaperna hos de resulterande SnO_x ETL:erna och deras fotovoltaiska prestanda diskuteras. De låg temperatur amorfa SnO_x ETL:erna överträffar de högtemperaturkristallina SnO₂ ETL:erna och uppnår en hög PCE på 17,55 %.

Elementär dopning utförs för att modifiera SnO_x ETL. Effekter av dopning på egenskaperna hos SnO_x ETL och ETL/perovskite-gränssnitten undersöks i detalj. Cu-dopning utövar ett negativt inflytande på den fotovoltaiska prestandan hos SnO_x ETL. Överraskande nog observeras en avstämbar hysteres, som övergår från normal hysteres till inverterad hysteres, med ökande Cu-dopningsnivå. Ce-dopning leder till väsentligt förbättrade egenskaper. Införlivandet av Ce i SnO_x möjliggör ökad konduktivitet, förbättrad energinivåinriktning vid ETL/perovskit-gränssnittet och undertryckt rekombination inom perovskitskiktet. Enheterna med Ce-dopade SnO_x ETL uppnår ökad effektivitet jämfört med de odopade enheterna. Gränssnittsmodifiering utförs också med hjälp av en tvåskikts ETL-struktur för att modifiera SnO_x/perovskite-gränssnittet. Effekterna av att infoga ett nanopartikel SnO₂ (NP-SnO₂) lager eller ett nanopartikel SrTiO₃ (NP-STO) lager vid SnO_x/perovskite gränssnittet diskuteras.

Perovskitfilmer avsätts via bläckstråleutskrift under omgivande förhållanden, vilket är en betydande utmaning för detta fuktkänsliga material. En storkornig perovskitfilm med full yttäckning realiseras med hjälp av strategier för in-situ värmebehandling, självångglödgningsbehandling och lösningsmedelsteknik. Effekterna av dessa strategier på kärnbildning och kristallisering av perovskitfilmer diskuteras. En PCE på 13,44 % uppnås för den helt bläckstråleskrivna PSC-enheten med en bläckstråleskriven ETL, ett bläckstråletryckt perovskitskikt och en bläckstråleskriven HTL. Den additiva ingenjörsstrategin tillämpas också för att förhindra för tidig kristallisering av perovskitmaterialen. Likformigheten hos det bläckstråletryckta perovskitskiktet förbättras avsevärt även om det inte direkt bidrar till fotovoltaisk prestanda.

Sammantaget ger denna avhandling vägledning i tillverkning av effektiva funktionella material via bläckstråleutskrift på ett skalbart och hållbart sätt.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346589