Development of inorganic and hybrid perovskite materials and their application in photovoltaic devices

Abstract

Halide perovskite solar devices have attracted much attention in the photovoltaic com-munity, due to their efficiency in converting solar energy into electricity, which has reached values over 25.2% in the last five years. Perovskite solar cells (PSCs) evolved from the solid-state, dye-sensitized solar cells (DSSCs) by replacing the dye absorber with an ABX3 type perovskite material where A is an inorganic or/and organic cation (Cs+, (CH3NH3)+, (HC (NH2)2)+), Β is a metal cation (e.g Pb2+, Sn2+), and Χ is a halogen anion (Cl-, Br-, I-). Despite high efficiencies, this class of compounds suffers from long-term instability in ambient air due to the hygroscopic amine cations and from the toxicity of lead. Aim of the work: My aim is to expand the, so far, limited variety of organic cations by exploring sulfur-based analogues using trimethyl sulfonium cation ((CH3)3S)+ as stable organic moiety, that could ultimately be incorporated in solar cells for: (a) enhance power conversion efficiency , (b) increase stability against humidity, (c) decrease toxicity in lead-free perovskite.Below, I summarized the main idea of each chapter: Chapter (1) Fundamental of photovoltaic solar cells devices were discussed widely. Also, the back-ground and motivation of a new technology of solar cells specially Dye-sensitized solar cells (DSSC) and Perovskites solar cells (PSCs), including fabrication processes, promises and challenges. Chapter (2) The materials, synthesis techniques, and characterization analysis were recorded in this chapter. Chapter (3) I present the synthesis, crystal structures, optoelectronic properties, and first principles theoretical ab-initio DFT calculations of a novel chemically stable (CH3)3SPbI3-xBrx and (CH3)3SPbI3-xClx (x = 0, 1, 2, 3) perovskites. Chapter (4) The synthesis, characterization, optoelectronic properties and multi-temperature Raman of a novel lead-free (CH3)3SSnI3 1-D perovskite were discussed. Chapters (5,6) A novel series of Sn4+ halide lead-free defect perovskites ((CH3)3S)2SnX6 (X = Cl, Br, I), ((CH3)3S)2SnI6-nCln and ((CH3)3S)2SnI6-nBrn (n=1, 2) were synthesized and characterized us-ing different spectroscopic techniques. Moreover, the lead-free Sn(IV)-based compounds were successfully incorporated as hole transporting materials (HTMs) in Dye-sensitized solar cells (DSCs) Chapter (7) Dimensionality engineering approach consisting of a (FA/MA/Cs) PbI3-xBrx/(CH3)3SPbI3 (3D/1D) perovskite bilayer architecture, fabricated exclusively with solution processes have been discussed. The 3D/1D bilayer structure further optimizes the corresponding ab-sorber/hole transporting layer (HTL) interface of the PSCs. The 1D (CH3)3SPbI3 lead to sig-nificant stability improvement for non-sealed devices both under ambient conditions and light stress Chapter (8) Interface engineering approach involving the utilization of the organic chromophore (E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid (D35) as an interlayer between the perovskite absorber and the hole transporter (HTM) of mesoporous PSCs. The organic D-π-A -based solar cells present supe-rior stability since they preserved 83% of their initial efficiency after 37 days of storage under dark and open circuit conditions. Chapter (9) I summarized the main findings, conclusions and perspective. Chapter (10) References.

Τα ηλιακά κελιά με αλογονούχους περοβσκίτες έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον στη φωτοβολταϊκή κοινότητα τα τελευταία πέντε χρόνια, καθώς η απόδοση τους στη μετατροπή της φωτεινής ισχύος σε ηλεκτρική έχει φτάσει σε τιμές που ξεπερνούν το 25 %. Τα περοβσκιτικά ηλιακά κελιά (PSCs) εξελίχθηκαν από τα στερεάς κατάστασης- φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κελιά (DSSCs) αντικαθιστώντας τη χρωστική ουσία με έναν περοβσκίτη του τύπου ABX3, όπου A ένα ανόργανο ή οργανικό κατιόν (π.χ. Cs+, (CH3NH3)+, (HC(NH2)2)+), Β ένα μεταλλικό κατιόν (π.χ. Pb2+, Sn2+), και Χ ένα κατιόν αλογόνου (Cl-, Br-, I-). Παρά τις υψηλές αποδόσεις, αυτή η κατηγορία χημικών ενώσεων παρουσιάζει αστάθεια σε μακροχρόνια χρήση στον αέρα, λόγω των υγροσκοπικών αμινικών κατιόντων και επίσης παρουσιάζει τοξικότητα λόγω του μολύβδου. Σκοπός της διατριβής: Ο στόχος μου είναι να επεκτείνω τη μέχρι στιγμής περιορισμένη ποικιλία οργανικών κατιόντων μελετώντας νέα θειούχα κατιόντα όπως το τριμεθυλοσουλφώνιο ((CH3)3S)+ ως σταθερά οργανικά κατιόντα, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε ηλιακά κελιά για: (α) αύξηση της απόδοσης μετατροπής ισχύος, (β) αύξηση της σταθερότητας ως προς την υγρασία, (γ) μείωση της τοξικότητας σε περοβσκιτικές ενώσεις χωρίς μόλυβδο. Παρακάτω παρατίθεται η κεντρική ιδέα κάθε κεφαλαίου: Κεφάλαιο (1) Εδώ συζητούνται λεπτομερώς οι αρχές των ηλιακών κελιών. Επίσης, αναλύεται το υπόβαθρο και το κίνητρο για νέες τεχνολογίες σε ηλιακά κελιά, ιδιαίτερα για την κατασκευή και τις προσκλήσεις των DSSCs και PSCs. Κεφάλαιο (2) Τα υλικά, οι τεχνικές σύνθεσης και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού αναλύονται σε αυτό το κεφάλαιο. Κεφάλαιο (3) Εδώ παρουσιάζεται η σύνθεση, η κρυσταλλική δομή, οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες και οι θεωρητικοί υπολογισμοί τύπου ab-initio DFT (density functional theory) για τις σταθερές χημικές ενώσεις των περοβσκιτών (CH3)3SPbI3-xBrx και (CH3)3SPbI3-xClx (x = 0, 1, 2, 3). Κεφάλαιο (4) Η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και τα πολυ-θερμοκρασιακά φάσματα Raman του νέου 1D (CH3)3SSnI3 περοβσκίτη μελετώνται σε αυτό το κεφάλαιο. Κεφάλαια (5,6) Μια νέα σειρά ενώσεων του Sn4+ με δομή ‘κενού’ (defect) περοβσκίτη και σύσταση ((CH3)3S)2SnX6 (X = Cl, Br, I), ((CH3)3S)2SnI6-nCln και ((CH3)3S)2SnI6-nBrn (n=1, 2) παρασκευάσθηκαν και χαρακτηρίσθηκαν με κρυσταλλογραφικές και φασματοσκοπικές μεθόδους. Επίσης, οι ενώσεις αυτές του Sn4+ χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία ως υλικά μεταφοράς οπών (hole transporting materials - HTMs) σε DSSCs. Κεφάλαιο (7) Εδώ παρουσιάζεται η προσέγγιση της διαστασιμότητας στην αρχιτεκτονική διπλής στοιβάδας (FA/MA/Cs)PbI3-xBrx/(CH3)3SPbI3 (3D/1D) περοβσκιτών. Αυτή η διπλή στοιβάδα 3D/1D κατασκευάστηκε εξ ολοκλήρου με τεχνικές διαλύματος και βελτιστοποιεί την αντίστοιχη διεπιφάνεια προσροφητή και στοιβάδας μεταφοράς οπών στα PSCs. Το 1D (CH3)3SPbI3 οδηγεί σε σημαντική βελτίωση της σταθερότητας των μη-στεγανοποιημένων ηλιακών κελιών, τόσο κάτω από ατμοσφαιρικές συνθήκες όσο και υπό έντονη ακτινοβόληση (light stress). Κεφάλαιο (8) Εδώ αναπτύσσεται η βελτίωση της διεπιφάνειας με τη χρήση του οργανικού χρωμοφόρου (E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid (D35) ως ενδιάμεση στοιβάδα ανάμεσα στο περοβσκιτικό απορροφητή και το υλικό μεταφοράς οπών σε μεσοπορώδη PSCs. Αυτά τα οργανικά ηλιακά κελιά βασισμένα σε D-π-A παρουσιάζουν σημαντική σταθερότητα καθώς διατηρούν το 83% της αρχικής τους απόδοσης μετά από 37 ημέρες αποθήκευσης στο σκοτάδι και σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος. Κεφάλαιο (9) Περίληψη των σημαντικότερων ερευνητικών αποτελεσμάτων, συμπερασμάτων και προοπτικής της παρούσας διατριβής. Κεφάλαιο (10) Βιβλιογραφικές αναφορές.