Solution Processing of Hybrid Perovskite by Scalable and Sustainable Techniques for Solar Cell Application

Nach nur wenigen Jahren Forschung erzielen Organisch-Inorganische Hybrid-Metallhalogenid Perowskit-Solarzellen einen Rekordwirkungsgrad von >25%, was sie zu einer der effizientesten Photovoltaik-Technologien macht. Aufgrund der herausragenden optoelektronischen Eigenschaften des Perowskit-Halbleiters und dessen kostengünstigen Herstellung durch lösungsbasierte Verfahren verspricht das Absorbermaterial ein aussichtsreicher Kandidat für Photovoltaik-Anwendungen der nächsten Generation und die großtechnische Massenproduktion zu sein. Nichtsdestotrotz weist die Überzahl von den in der Literatur berichteten Perowskit-Solarzellen nur kleinen Labormaßstab (∼0.1 cm²) auf und ist hauptsächlich mit Abscheidetechniken hergestellt, die kaum skalierbar sind. ... mehrDaher ist die Aufskalierung der Abscheidung von homogenen Perowskit-Schichten auf große Flächen (≥100 cm²) und mittels industrierelevanten Prozessen, neben anderen Hindernissen wie Stabilität und Toxizität, einer der größten Herausforderungen der Technologie, um die Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen zu ermöglichen. Aus diesem Grund befasst sich diese Dissertation mit dem Thema der lösungsbasierten Fertigung von Hybrid-Perowskitschichten mithilfe skalierbarer und umweltverträglicher Verfahren für den Einsatz in Solarzellen.

In der lösungsbasierten Fertigung von Perowskit-Dünnschichten sind vor allem vier Trocknungsmethoden bekannt, um das Lösemittel aus dem Nassfilm zu entfernen, was dessen Konvertierung zu einer trockenen kristallinen Schicht gleichkommt. In dieser Dissertation liegt der Fokus auf zwei Konvertierungsmethoden, der hitze- und der gasgestützten Methode, da diese als die mit dem größten Aufskalierungspotenzial identifiziert werden. Als Ausgangspunkt wird die hitzegestützte Konvertierung für Solarzellen basierend auf gerakeltem MAPbI₃ (MAPI) untersucht. Es lies sich feststellen, dass aufgrund des dynamischen Flüssigkeitsverhaltens im Nassfilm und schlechter Prozessbeherrschbarkeit diese Konvertierungsmethode für die Aufskalierung der Perowskit-Abscheidung weniger geeignet ist. Zudem wird gezeigt, dass die Nutzung eines Netzmittels die Perowskit-Morphologie verbessert, aber auch zu nachteiligen prozesstechnischen Auswirkungen führt.
Die gasgestützte Konvertierungsmethode mittels eines stationären Niederdruck-Gassystems im Anschluss an die Rakelbeschichtung stellt sich hingegen, für die Aufskalierung und um die MAPI Perowskit-Morphologie zu kontrollieren, als überlegen dar. Darüber hinaus wird die Perowskit-Morphologie mithilfe eines gerakelten Nanopartikel-Benetzungsmittels und der Anpassung der Komponenten in der Perowskit-Präkursorlösung optimiert. Es wird gezeigt, dass mittels Schichtdickenoptimierungen eine weitere Verbesserung der Champion-Effizienz der Perowskit-Solarzelle mit Standard-Bauteilfläche (∼0.25 cm²) bis ∼18% erreicht werden kann. Durch Kombination aller Entwicklungsschritte weist der Autor die Skalierbarkeit bis zu einer Substratfläche von ∼80 cm² nach und präsentiert Perowskit-Solarmodule mit einer Aperturfläche von bis zu ∼50 cm² und einem erzielten Wirkungsgrad von ∼9%.
Außerdem untersucht der Autor die gasgestützte Konvertierung für die skalierbare Abscheidung von geeigneten Lösemittelsystemen, um Multi-Kationen-Perowskitschichten herzustellen, die laut Literatur stabiler sind. Dabei zeigt diese Dissertation die Notwendigkeit eines sich bewegenden Hochdruck-Gassystems auf. Des Weiteren wird die Implementierung des grünen und umweltverträglichen Perowskit-Präkursorlösemittels Dimethylsulfoxid evaluiert, welches auf gerakelter
Standard-Bauteilfläche zum giftigen Pendant vergleichbare Perowskit-Solarzelleffizienzen von ∼17% liefert. Auf diese Weise wird deutlich gemacht, dass die Verwendung von giftigen Lösemitteln vermeidbar ist. Zusätzlich wird die gasgestützte Konvertierung in Kombination mit der Schlitzdüsenbeschichtung optimiert, die gegenüber der Rakelbeschichtung einer noch industrierelevanteren Abscheidetechnik entspricht. Mittels Additiv-Entwicklung und Strategien zur Defektpassivierung werden Perowskit-Solarzellen mit per Schlitzdüse beschichtetem Perowskit und Wirkungsgraden von >17% auf Standard-Bauteilfläche gezeigt.
Diese Dissertation zeigt auf, dass die gasgestützte Konvertierung eine erfolgversprechende Methode für die Aufskalierung der lösungsbasierten Fertigung von Hybrid-Perowskit mithilfe skalierbarer und umweltverträglicher Verfahren ist, um in Solarzellen Anwendung zu finden.

After only a few years of research, hybrid organic-inorganic metal-halide perovskite solar cells (PSCs) achieve a record power conversion efficiency (PCE) of >25%, which makes them one of the most efficient photovoltaic technologies. Due to the outstanding optoelectronic properties of the perovskite semiconductor and its low-cost fabrication by solution processing, the absorber material is a promising candidate for next-generation photovoltaic applications and industrial mass production. Nevertheless, the majority of PSCs reported in literature only exhibits small lab scale (∼0.1 cm²) and is mainly fabricated by hardly scalable deposition techniques. ... mehrThus, besides some other bottlenecks such as stability and toxicity, one of the major challenges of the technology is upscaling the deposition of homogeneous perovskite layers to large areas (≥100 cm²) and via industry-relevant processes to enable the commercialization of PSCs. On this account, this thesis deals with the subject of solution processing of hybrid perovskite layers by scalable and sustainable techniques in order to be applied in solar cells.

In solution processing of perovskite thin films, four main conversion methods are well known to remove the solvent from the wet film, thereby converting it to a dry crystallized layer. In this thesis, a focus is set on the two methods of heat- and gas-assisted conversion since they are identified as the methods exhibiting the largest upscaling potential. As starting point, the heat-assisted conversion for MAPbI₃ (MAPI) based solar cells processed via blade coating is analyzed. This conversion method was found to be less suitable for upscaling perovskite deposition due to wet film fluid dynamics and poor process controllability. Moreover, it is shown that utilizing a surfactant improves the perovskite morphology but also results in detrimental procedural effects.
However, gas-assisted conversion after blade coating via a static low-pressure gas system is indicated as superior to control the MAPI perovskite morphology and for upscaling. In addition, the perovskite morphology is optimized through a blade coated nanoparticle wetting agent and composition engineering of the perovskite precursor solution. It is pointed out that a further increase in PSC champion efficiency to up to ∼18% on a standard device area (∼0.25 cm²) can be achieved by layer thickness optimizations. By combining all engineering steps, the author proves scalability to a substrate area of ∼80 cm² and presents perovskite solar modules (PSMs) with an aperture area of up to ∼50 cm² reaching a PCE of ∼9%.
Aside from that, the author investigates gas-assisted conversion for the scalable deposition of suitable solvent systems to fabricate multi-cation (MC) perovskite layers, which are as per literature more stable. Thereby, this thesis shows the requirement of a moving high-pressure gas system. Furthermore, the implementation of the green and sustainable perovskite precursor solvent dimethyl sulfoxide is evaluated resulting in comparable PSC performances to the toxic counterpart of ∼17% on blade coated standard device area. Thus, it is highlighted that the use of toxic solvents can be avoided. Additionally, gas-assisted conversion in combination with slot-die coating is optimized which represents an even more industry-relevant deposition technique than blade coating. By additive engineering and defect passivation strategies, PSCs with slot-die coated perovskite and with PCEs of >17% on standard device area are shown.
This thesis indicates that gas-assisted conversion is a promising method for upscaling solution processing of hybrid perovskite by scalable and sustainable techniques for solar cell application.