Till innehåll på sidan

Synthesis and Robotized Screening of Novel Perovskite Materials for Solar Cell Application

Tid: Fr 2021-11-26 kl 09.00

Plats: F3, Lindstedsvägen 26, Stockholm

Språk: Engelska

Ämnesområde: Kemi

Respondent: Allan Starkholm , Tillämpad fysikalisk kemi

Opponent: Professor Kasper Moth-Poulsen, Chalmers University of Technology

Handledare: Professor Lars Kloo, Tillämpad fysikalisk kemi, Molekylär elektronik, CMD; Professor Per H. Svensson,

Exportera till kalender

Abstract

Världens energikonsumtion är idag hög och avgörande för det moderna samhällets utveckling och tillväxt. Energikonsumtionen i världen beräknas öka signifikant under de kommande decennierna. Den energi som konsumeras idag baseras till största del på fossila bränslen, vilket är ett betydande problem ur klimatsynpunkt. När fossila bränslen förbränns så frigörs stora mängder växthusgaser, exempelvis koldioxid, vilket i sin tur bidrar till den globala uppvärmningen. Dessutom är de fossila bränsleresurserna begränsade och beräknas ta slut inom en snar framtid. Därför är det av yttersta vikt att energikonsumtionen framöver kommer från förnyelsebara källor och är koldioxidneutrala. En möjlighet är att utnyttja solens energi. Solen förser oss med enorma mängder energi och är dessutom en förnyelsebar energikälla. Solceller omvandlar solens ljus till elektrisk energi på ett utsläppsneutralt sätt, vilket gör dem till en av de mest lovande teknologierna för framtiden. Kiselsolceller hör till en av de mest etablerade kommersiella solcellsteknologierna och uppvisar relativt höga verkningsgrader. Däremot är kiselsolceller mycket dyra. Perovskitsolceller har det senaste decenniet dykt upp som en ny och konkurrenskraftig tredjegenerationens solcellsteknologi och uppvisar verkningsgrader på över 25%. Mer specifikt så är det metylammoniumblyjodid (MAPbI3), som utgör arketypen av 3D perovskitmaterial, som påvisat hög omvandlingseffekt när det använts som det ljusabsorberande lagret i solceller. Trots de lovande egenskaperna och de höga omvandlingseffekterna av denna typ av perovskitmaterial så återfinns det några viktiga aspekter som behöver adresseras innan de kan appliceras i större kommersiell skala. Den inneboende instabiliteten av perovskitmaterialet gentemot luft, fukt och värme utgör ett allvarligt problem, vilket leder till snabb degradering av det aktiva perovskitmaterialet i solcellerna inom loppet av några dagar. De strikta storlekskraven för att tillåta bildandet av 3D perovskiter begränsar antalet möjliga katjoner till endast ett fåtal, vilket avsevärt begränsar möjligheterna till att utforska den kemiska sammansättningsrymden för alternativa 3D perovskiter. Dessutom kan farhågor beträffande toxiciteten hos standard blybaserade perovskiter på grund av nationell lagstiftning hämma framtida kommersialisering. Det finns därför ett behov av att utforska och identifiera alternativa solcellsmaterial med lämpliga egenskaper. Lågdimensionella perovskiter erbjuder en stor strukturell- och kemisk sammansättningsrymd att utforska, och banar dessutom väg för inkorporering av funktionella katjoner. Lågdimensionella perovskiter uppvisar vanligtvis relativt stora bandgap och även dåliga egenskaper för laddningstransport. Därför är det nödvändigt att både utveckla metoder för att snabbt identifiera nya intressanta lågdimensionella kandidatmaterial, och att samtidigt adressera problemet med laddningstransport. Arbetet som presenteras i denna avhandling har som mål att adressera de problemen som är beskrivna.

Målet i detta arbete var att syntetisera ock karaktärisera nya lågdimensionella perovskit-liknande material genom att använda två olika strategier. I den första strategin utnyttjas egenskaperna hos polyjodider för att syntetisera nya lågdimensionella perovskit-liknande material som inkorporerar polyjodider som länkar samman de lågdimensionella perovskitbyggstenarna. I den andra strategin så användes katjoniska färgämnen för att syntetisera nya lågdimensionella perovskitföreningar som är internt sensitiserade med ett färgämne, där färgämnet utgör katjonen i perovskitstrukturen. Dessutom undersöktes möjligheten att tillämpa automatiserad robotiserad screening i syfte att snabbt syntetisera och identifiera nya och potentiellt intressanta solcellsmaterial.                       

I kapitel 1 introduceras solcellsområdet, med ett särskilt fokus på perovskitsolcellerna. I kapitel 2 presenteras de metoder som använts i detta arbete. 

I kapitel 3 presenteras och diskuteras arbetet med automatisk robotiserad screening för syntes av nya lågdimensionella färgämnessensisiterade perovskit-liknande material. Karaktärisering av materialen, deras egenskaper och tillämpning av dessa i solceller diskuteras också.

I kapitel 4 presenteras och diskuteras arbetet med att inkorporera polyjodider i lågdimensionella perovskit-liknande material. Föreningarnas egenskaper och deras tillämpning i solceller presenteras och diskuteras också.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-304175