Lead-free absorber materials for solar cell applications

Pantaler, Martina GND

With the rise of industry and technology development based on the utilization of fossil fuels as a main energy source as well as environmental and air pollution greenhouse gases have drastically increased with the alert and demand to alter the sources of energy. One way to do so is to reduce the consumption of fossil fuels and replace it by other sources such as renewable energies. Most interesting and promising is solar energy. After the discovery of the photovoltaic effect and applying it for making solar cells, an effective way to convert solar energy into electric energy has become achievable. Throughout history three different solar cell generations can be observed mostly based on the evolution of solar cells by the decrease of the solar cell thickness and the lowering of the active layer thickness from µm to nm. Beyond the decrease in thickness of the solar cells, the price of solar cells has dropped over the years. Still, the silicon-based technology is complex and cost-intensive. The third generation of solar cells are thin films with their most interesting and well-researched sub-group: perovskite solar cells. This new way of cheap and easy-to-fabricate solar cell has interested both, scientists and industry. A decade of lead-based perovskite solar cells in the scientific community has shown an increase in power conversion efficiency from 3.8 to 26 % and enormous interest of world scientists investigating the excellent photovoltaic properties of these lead-based perovskites (e.g. CH3NH3PbI3) but also the possibility of large commercialization. Organic–inorganic lead halide perovskite absorbers have excellent photovoltaic properties, such as suitable bandgap, high optical absorption, and long carrier lifetime. Unfortunately, underlying issues are the presence of toxic lead and the cell instability under ambient atmosphere (e.g. O2 and H2O). Bismuth-based lead-free double perovskites (e.g. Cs2AgBiBr6) have been considered as alternatives to the lead-based perovskites for solar cell applications. Trivalent cations, such as Bi3+ along with monovalent cations, Ag+, have been concurrently introduced to the B-sites of halide perovskites, leading to B cation double perovskites with the general chemical formula of A2B’B’’X6. These Pb-free double perovskites have been reported to have promising photovoltaic properties, including long carrier recombination lifetime, good stability against air and moisture, and low carrier effective masses. Thus, they are a potential alternative to the toxic lead halide perovskites. Nevertheless, device development is still in its infancy, and its performance is affected by severe hysteresis. In this work the realization of the synthesis and deposition of the double perovskite is presented via different deposition routes such as vacuum vapor and solution deposition. The double perovskite thin films have been optimized and characterized using different surface and material characterization methods. Afterwards, hysteresis-free planar and mesoporous double perovskite solar cells with no s-shape in the device characteristics and increased device open circuit voltage have been realized for the first time. This has been achieved by fine-tuning the material deposition parameters and layer optimization using several modification routes such as different temperature annealings, the thicknesses of mesoporous and perovskite layer, ozone and TiCl4 treatments leading to better infiltration of the double perovskite solution into mesoporous TiO2–ending with a significant improvement in solar cell performance. Except of device and interface engineering, to improve the material properties, compositional engineering has been conducted using mixing elements such as organic cation methylammonium, inorganic cation antimony and halide anion iodine. Finally, dimensional engineering has been achieved by adding large organic cations to the double perovskite crystal structure resulting in the new white emissive 2D and quasi 2D lead-free double perovskite materials.

Die Zunahme von Industrie und Technikentwicklung, die hauptsächlich auf der Verwendung fossiler Brennstoffe als Hauptenergielieferant beruht, sowie die wachsende Umwelt- und Luftverschmutzung haben zu einem drastischen Anstieg von Treibhausgasen geführt, die mit der Mahnung und Forderung nach alternativen Energiequellen einhergeht. Eine Möglichkeit diese zu erschließen, ergibt sich aus einer Reduktion fossiler Brennstoffe zugunsten anderer Quellen wie erneuerbaren Energien. Am interessantesten und vielversprechendsten ist in diesem Kontext die Solarenergie. Durch die Entdeckung des photovoltaisches Effekts und seiner Erschließung für Solarzellen wurde eine effektive Möglichkeit verfügbar, Solarenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Im Laufe der Zeit können drei verschiedene Generationen von Solarzellen identifiziert werden, die hauptsächlich auf dem Versuch beruhen, Solarzellen durch die Reduktion ihrer Dicke sowie die Verminderung der aktiven Schicht von μm zu nm weiterzuentwickeln. Abgesehen von der Verdünnung der Solarzellen ist ihr Preis in den letzten Jahren gesunken, dennoch ist die Silizium-basierte Technologie komplex und kostenintensiv. Die dritte Generation der Solarzellen ist die Dünnschicht-Generation mit ihrer interessantesten und viel erforschten Untergruppe: Perowskit-Solarzellen. Diese neue Art günstiger und leicht herstellbarer Solarzellen hat sowohl das Interesse der Wissenschaft als auch das industrieller Firmen geweckt. Ein Jahrzehnt in der Wissenschaftsgemeinde von bleibasierten Perowskit-Solarzellen hat einen Anstieg der Effizienz der Energieumwandlung von 3,8 auf 26 % ergeben; dazu kommt, dass Wissenschaftler weltweit exzellente, photovoltaische Eigenschaften dieser bleibasierten Perowskite (z. B. CH3NH3PbI3) bestätigen konnten, das mit der Möglichkeit lukrativer Vermarktung einhergeht. Organisch-anorganische blei-halogenide Perowskit-Absorber zeigen ausgezeichnete photovoltaische Eigenschaften wie eine passende Bandlücke, eine hohe optische Absorption und eine lange Ladungsträgerlebensdauer. Leider sind sie durch das zugrunde liegende toxische Blei und ihrer Instabilität angesichts des Umgebungsklimas als problematisch einzustufen (z. B. O2 und H2O). Bismut-basierte, bleifreie Doppelperowskite (z. B. Cs2AgBiBr6) wurden als Alternativen zu den Blei-basierten Perowskiten für Solarzellen in Betracht gezogen. Dreiwertige Kationen, wie Bi3+, einhergehend mit einwertigen Kationen, Ag+, wurden dazu den B-Seiten der haliden Perowskite zugeführt, die zu B-Kationen-Doppel-Perowskiten mit der allgemeinen chemischen Formel A2B’B‘‘X6 führen. Diese Blei-freien Doppel-Perowskite wurden mit vielversprechenden, photovoltaischen Eigenschaften beschrieben, wie z. B. einer langen Lebensdauer der Ladungsträger, einer guten Stabilität angesichts von Luft und Feuchtigkeit sowie einer niedrigen effektiven Masse des Ladungsträgers. Somit sind sie potenzielle Alternativen zu den toxischen Blei-Halogenid-Perowskiten. Dennoch steckt die Entwicklung dieser Zellen noch in den Kinderschuhen und ihre Leistung wird von starken Hysteresen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird die Verwirklichung der Synthese und Beschichtung der Doppel-Perowskite durch verschiedene Arten der Beschichtung wie der Vakuum-Aufdampfung und Flüssig-Beschichtung dargestellt. Die dünnschichtigen Doppel- Perowskite wurden optimiert und durch den Gebrauch verschiedener Oberflächen- und Materialcharakterisierungs Methoden untersucht. Im Anschluss wurden zum ersten Mal Hysterese-freie, planare und mesoporöse Perowskit-Solarzellen realisiert, die ohne die charakteristische S-Form und mit einer gesteigerten Leerlaufspannung auskamen. Dies wurde durch die Feinabstimmung der Parameter der Materialbeschichtung in Kombination mit verschiedenen Arten der Modifikation erreicht, wie z. B. verschiedenen Annealing-Temperaturen, der Veränderung der Dicke mesoporöser und perowskitischer Schichten sowie Ozon- und TiCl4-Behandlungen, die zu einer besseren Einsickerung der flüssigen Doppel-Perowskite in die mesoporöse TiO2-Schicht mit einer signifikanten Verbesserung der Leistung der Solarzelle führt. Außer der Zellen- und Grenzschichtbearbeitung wurden zur Verbesserung der Materialmerkmale verschiedene Variationen die Zusammensetzung durchgeführt, die verschiedene Elemente wie organisches Mathylammonium- Kationen, Antimon-Kationen und Iod-Anionen verbanden. Abschließend wurde die dimensionelle Bearbeitung durch Hinzufügen großer organischer Kationen zu der kristallinen Struktur des Doppel-Perowskits vorgenommen, aus dem sich die neuen, weißemittierenden 2D und quasi 2D bleifreien Materialien der Doppel-Perowskite ergaben.

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Pantaler, Martina: Lead-free absorber materials for solar cell applications. 2020.

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