Abstract:
Da der vom Menschen verursachte Klimawandel allmählich die sozioökonomische Politik bestimmt und vorausschauende Nationen angesichts des steigenden Energieverbrauchs Netto-Null-Emissionen anstreben, ist Solarenergie die billigste Quelle für erneuerbare Energie. Unter den Solartechnologien der nächsten Generation sind Perowskit-Solarzellen (PSC) ein aussichtsreicher Kandidat um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Sie versprechen hohe Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung, niedrige Materialkosten und das Potenzial, sich mit bestehenden Technologien zu Tandemsolarzellen zu kombinieren. ... mehrGasphasen-Perowskite sind besonders kompatibel mit den derzeitigen industriellen Fertigungstechnologien. Allerdings müssen grundlegende Herausforderungen bewältigt werden, damit ko-verdampfte Gasphasen-Perowskite für die Kommerzialisierung in Frage kommen. Erstens gibt es ein Wirkungsgrad-Defizit zwischen typischen ko-verdampften und lösungsgefertigten Perowskiten welches sich im Großen und Ganzen durch folgende Faktoren erklären lässt: minderwertige Materialeigenschaften, ein Mangel an kompatiblen Passivierungsmitteln und minderwertige vakuum-prozessierte Löchertransportschichten (HTLs) in der Gasphase. Darüber hinaus bedeutet das substratabhängige Wachstum von ko-verdampften Perowskiten, dass jede neue Entwicklung von Dampfphasen-HTLs auch die resultierende Perowskit/HTL-Grenzfläche verstehen muss. Schließlich ist das Verständnis der vergleichbaren optischen Eigenschaften von semitransparenten (ST) PSCs noch begrenzt, was für Tandemarchitekturen von großer Bedeutung ist. Die zweite große Herausforderung ist die Geschwindigkeit der Abscheidung. Die Ko-Verdampfung ist ein relativ langsamer Prozess mit Abscheidungsraten, die um Größenordnungen unter dem liegen, was für die Kommerzialisierung erforderlich ist. Dies ist zum Teil auf das mangelnde Verständnis des Sublimationsverhaltens organischer Kationen bei hohen Abscheidungsraten zurückzuführen. Diese Arbeit zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung effizienter ko-verdampfter PSCs zu bewältigen, einschließlich ihrer Einbindung in monolithische und mechanisch gestapelte Tandemarchitekturen, um ihre Machbarkeit zu demonstrieren.
Erstens trägt diese Arbeit durch die systematische Optimierung der optischen Eigenschaften von ST-PSC zur Entwicklung von vierpoligen Perowskit/CIGS-Tandembauelementen bei. Vorder- und rückseitig transparente leitfähige Oxide und antireflektierende Beschichtungen werden untersucht, um die NIR-Transmission zu maximieren. Dies wird durch eine Reihe von optischen Simulationen unterstützt, um das zukünftige Potenzial des optischen Managements zu bestimmen. Mit dieser Strategie lassen sich vierpolige Perowskit/CIGS-Tandemsolarzellen mit PCEs von 27,3 % für lösungsprozessierte und 23,8 % für co-verdampfte Perowskit-Absorber erzielen. Die Ergebnisse im Lösungsprozess stellen nahezu einen Weltrekord an Effizienz für 4T-Perowskit/CIGS-Tandemgeräte dar.
Zweitens wird in dieser Arbeit eine Dampfphasenabscheidungsmethode für SAM-HTLs auf Basis selbstorganisierter Monolagen entwickelt. Diese Schichten sind für die Entwicklung von p-i-n-PSCs von entscheidender Bedeutung, wurden bisher jedoch ausschließlich mit lösungsbasierten Methoden abgeschieden. Die Auswirkungen der Verdampfung auf die chemischen Eigenschaften dieser Materialien werden gründlich untersucht um sicherzustellen, dass sie sich während der Abscheidung nicht thermisch zersetzen. Anschließend werden die Grenzflächeneigenschaften zwischen aufgedampften und in Lösung hergestellten SAM-HTLs verglichen, wobei für alle untersuchten Materialien vergleichbare Grenzflächeneigenschaften sowohl mit in Lösung hergestellten als auch mit mitverdampften Perowskit-Absorbern festgestellt wurden. Die Dampfphasenabscheidung erhöht die Flexibilität dieser Materialien erheblich und ist eine inhärent konforme und skalierbare Methode.
Als nächstes werden in dieser Arbeit die Grenzflächenwechselwirkungen untersucht, die zwischen SAM-HTLs, einschließlich aufgedampfter SAM-HTLs, und ko-verdampften Perowskiten auftreten. Aufgrund des substratabhängigen Wachstums von ko-verdampften Perowskiten ist das Verständnis dieser Wechselwirkungen entscheidend für die Entwicklung aller Dampfphasen-PSCs mit SAM-HTLs. Mit Hilfe verschiedener Techniken wird die Form dieser Wechselwirkung als Wasserstoffbrückenbindung zwischen Phosphonsäuren und Grenzflächenhalogeniden bewertet, die sich in erster Linie auf den Einbau organischer Kationen in den Perowskit auswirkt. Darüber hinaus werden die Auswirkungen dieser Wechselwirkung auf das Wachstum des Perowskits und die photovoltaischen Eigenschaften untersucht. Diese Wechselwirkung stellt eine bisher unbekannte Form der Substratwechselwirkung bei ko-verdampften Perowskiten dar und erweitert das Verständnis dieses wichtigen Parameters erheblich.
Schließlich werden in dieser Arbeit die Auswirkungen einer erhöhten Abscheidungsrate auf co-verdampfte Perowskite auf Formamidinium (FA)-Basis untersucht. Die potenzielle Zersetzung des FA-Kations ist für die Erzielung kommerziell nutzbarer Abscheidungsraten von Perowskiten von großer Bedeutung. Wir stellen fest, dass thermische Schwankungen innerhalb des Tiegels zu einer selektiven Zersetzung des Materials führen, der sich bei hohen Raten auf die Eigenschaften der Bauteile auswirkt. Es werden drei Methoden vorgeschlagen und bewertet, um diese Einschränkung zu verringern. Dazu gehören die Verwendung zusätzlicher organischer Quellen, die Vorkonditionierung des organischen Materials und das Design des Tiegels. Darüber hinaus werden durch den Einbau von Perowskiten mit niedriger und hoher Abscheidungsrate in monolithische Tandems weitere potenzielle Probleme mit hohen Abscheidungsraten untersucht. Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse darüber, was erforderlich ist, um die Abscheidungsraten von ko-verdampften Perowskiten sinnvoll zu erhöhen.
Abstract (englisch):
As human-caused climate change begins to shape socioeconomic policy, and forward thinking nations strive towards net-zero emissions in the face of increasing energy consumption, solar power is the cheapest source of renewable energy. Among next generation solar technologies, perovskite solar cells (PSCs) are a strong candidate to meet evolving energy needs, promising high power conversion efficiencies (PCEs), low material costs and the potential to combine with existing technologies to form tandem solar cells,. Vapour phase perovskites are especially compatible with current industrial manufacturing technologies. ... mehrHowever, fundamental challenges must be addressed specifically for vapour-phase co-evaporated perovskites to be considered suitable for commercialisation. First, there is a PCE deficit between typical co-evaporated and solution-processed perovskites. This can be broadly explained by: inferior bulk material properties, a lack of compatible vapour based passivants and inferior vapour-phase hole transport layers (HTLs). Furthermore, the substrate dependent growth of co‑evaporated perovskites means any new development in vapour-phase HTLs must also understand the resultant perovskite/HTL interface. There also remains limited understanding on the comparative optical properties of semitransparent (ST) PSCs, which is of extreme importance for tandem devices. The second key challenge is their deposition speed. Co-evaporation is a relatively slow process, with deposition rates orders of magnitude lower than what is required for commercialization. Part of this is due to a lack of understanding into the sublimation behaviour of organic cations at high deposition rates. This thesis aims to address these challenges by developing efficient co evaporated PSCs, including incorporating them into monolithic and mechanically stacked tandem architectures to demonstrate their feasibility.
First, this thesis contributes to the development of four-terminal perovskite/CIGS tandem devices by systematic optimization of the ST-PSC optical properties. Front-and rear-transparent conductive oxides and antireflective coatings are studied to maximise NIR transmission. This is boosted further through a series of optical simulations, aimed at determining future potential of optical management. This strategy is able to achieve four-terminal perovskite/CIGS tandem solar cells with PCEs of 27.3% for solution-processed and 23.8% for co-evaporated perovskite absorbers. The solution-processed results represent near world-record efficiency for 4T perovskite/CIGS tandem devices.
Second, this thesis develops a vapour-phase deposition method for self-assembled monolayer based SAM-HTLs. These layers are critical to the development of p-i-n PSCs but historically have exclusively been deposited using solution-based methods. The impact of evaporation on the chemical properties of these materials is thoroughly investigated to ensure they do not undergo thermal decomposition during deposition. Following this, interfacial properties are compared between evaporated and solution-processed SAM-HTLs, finding comparable interfacial properties for all studied materials with both solution-processed and co-evaporated perovskite absorbers. Vapour-phase deposition greatly enhances the flexibility of these materials, and is an inherently conformal and scalable method.
Next, this thesis investigates the interfacial interactions that arise between SAM-HTLs, including vapour-phase SAM-HTLs, and co-evaporated perovskites. Due to the substrate dependent growth of co-evaporated perovskites, understanding these interactions is crucial to developing all vapour-phase PSCs with SAM-HTLs. Through a variety of techniques, the form of this interaction is evaluated as being hydrogen bonding between phosphonic acids and interfacial halides, which primarily impacts organic cation incorporation into the perovskite. Furthermore, the impact of this interaction on perovskite growth and photovoltaic properties is evaluated. This interaction represents a previously unknown form of substrate interaction for co evaporated perovskites, greatly expanding understanding of this important parameter.
Finally, this thesis analyses the impact of increased deposition rate on formamidinium (FA)-based co-evaporated perovskites. The potential degradation of the FA cation is of great concern for achieving commercially viable perovskite deposition rates. Thermal variations within the crucible will lead to selective degradation of the material, impacting device properties at elevated rates. Three methods are proposed and evaluated to alleviate this constraint. These entail: utilising additional organic sources, preconditioning the organic material and crucible design. Furthermore, by incorporating baseline and elevated deposition rate perovskites into monolithic tandems, other potential issues with high deposition rates are explored. This work represents an important insight into what is required to meaningfully increase co-evaporated perovskite deposition rates.
