Interface engineering of perovskite photovoltaics

Abstract

This dissertation investigates advanced methodologies to improve the efficiency, stability, and scalability of perovskite solar cells (PSCs) through material innovation and interfacial engineering. Primary focus of this research focuses on the strategic optimization of hole transport layers (HTLs) to advance the performance, cost-effectiveness, and long-term stability of perovskite solar cells (PSCs). A major breakthrough was the development of a bilayer HTL architecture that integrates an ultrathin PTAA interlayer with a novel azulene-based molecule, biAz-4TPA. This hybrid configuration was designed to address multiple challenges, including substrate wettability, charge transport efficiency, and material cost reduction. The introduction of the hydrophobic PTAA interlayer enhanced the crystallization quality of the perovskite absorber, facilitating better charge extraction while suppressing recombination losses. By optimizing the bilayer thickness, PTAA usage was reduced by an impressive 62%, significantly lowering fabrication costs without compromising performance. The resulting devices achieved PCE of 18.48% while demonstrating extended operational lifetime, positioning this approach as a viable alternative for scalable PSC production. In addition, a lithium-free doping strategy was introduced for the widely used X60 HTL, replacing the conventional Li-TFSI dopant with the ionic liquid 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMIM-TFSI). This innovation directly tackled key stability issues associated with lithium-based dopants, such as ion migration and moisture sensitivity, which often lead to device degradation. The resulting PSCs exhibited a remarkable PCE of 21.85%, surpassing the performance of conventional Li-TFSI-doped X60 devices. More importantly, the stability of these devices was significantly improved, maintaining 85% of their initial efficiency after 1200 hours under ambient conditions, highlighting their potential for real-world deployment. The second research field that was studied was employing interfacial engineering strategies to mitigate non-radiative recombination and optimize charge extraction. Towards this goal, a novel azulene-pyridine (AzPy) molecule was synthesized and integrated into PSCs to enhance device performance and stability. Applied to both the hole and electron transport layers, AzPy facilitated efficient charge extraction and passivated the interface, resulting in an efficiency of 20.42% and significant improvements in humidity and thermal resistance. Furthermore, the perovskite interface with charge transport layers was optimized. To this end, comprehensive interfacial engineering, including n-hexylammonium bromide surface treatment of perovskite, further optimized the device interfaces, improving operational durability by over 50% under elevated temperature and continuous illumination. Additionally, incorporating octylammonium bromide (OABr) into the antisolvent step facilitated defect passivation, enhanced crystallization, and suppressed non-radiative losses, resulting in PSCs with a PCE of 20.42% and prolonged operational stability, retaining 80% of their initial performance after 1,400 hours under ISOS-L2 accelerated aging conditions. Wide-bandgap perovskites were also explored, with 4F-Phenethylammonium Chloride (4F-PEACL) applied as a surface treatment to triple-cation perovskites with a bandgap of 1.74 eV. This method passivated defects, improved crystallization, and enhanced optoelectronic properties, achieving a PCE of 20.27% with reduced non-radiative recombination and improved open-circuit voltage (Voc). This simple and scalable process highlights potential for industrial application without added manufacturing complexities. These findings collectively address critical challenges in perovskite photovoltaics, presenting scalable and cost-effective solutions for efficiency, stability, and manufacturability. This work lays the foundation for the broader commercialization and integration of PSCs into next-generation photovoltaic technologies.

Στη παρούσα διατριβή εξετάζονται προηγμένες μεθοδολογίες για τη βελτίωση της απόδοσης και της σταθερότητας των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη (PSCs) μέσω καινοτόμων υλικών και τροποποίησης των διεπαφών. Ο κύριος στόχος αυτής της έρευνας επικεντρώνεται στη στρατηγική βελτιστοποίηση των στρωμάτων μεταφοράς οπών (HTLs) με σκοπό την ενίσχυση της απόδοσης, τη μείωση του κόστους και τη βελτίωση της μακροχρόνιας σταθερότητας των PSCs. Ένα σημαντικό επίτευγμα ήταν η ανάπτυξη μιας διπλοστρωματικής αρχιτεκτονικής HTL που ενσωματώνει ένα εξαιρετικά λεπτό ενδιάμεσο στρώμα PTAA με ένα νέο μόριο βασισμένο στo αζουλένιο, το biAz-4TPA. Αυτή η υβριδική διαμόρφωση σχεδιάστηκε για να αντιμετωπίσει πολλαπλές προκλήσεις, όπως η διαβροχή του υποστρώματος, η αποδοτικότητα της μεταφοράς φορτίου και η μείωση του κόστους των υλικών. Η εισαγωγή του υδρόφοβου ενδιάμεσου στρώματος PTAA βελτίωσε την ποιότητα κρυστάλλωσης του περοβσκιτικού απορροφητή, διευκολύνοντας την καλύτερη εξαγωγή φορτίου και καταστέλλοντας τις απώλειες από ανασυνδυασμό. Μέσω της βελτιστοποίησης του πάχους του διπλού στρώματος, η κατανάλωση PTAA μειώθηκε κατά 62%, μειώνοντας σημαντικά το κόστος κατασκευής χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση. Οι παραγόμενες συσκευές πέτυχαν απόδοση μετατροπής ισχύος (PCE) 18.48% και εμφάνισαν αυξημένη διάρκεια ζωής, καθιστώντας αυτή την προσέγγιση μια βιώσιμη εναλλακτική λύση για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας PSCs. Επιπλέον, εισήχθη μια νέα στρατηγική ντοπαρίσματος χωρίς λίθιο για το ευρέως χρησιμοποιούμενο HTL X60, αντικαθιστώντας το συμβατικό ντοπαριστικό Li-TFSI με το ιοντικό υγρό 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMIM-TFSI). Αυτή η καινοτομία αντιμετώπισε άμεσα βασικά ζητήματα σταθερότητας που σχετίζονται με τo ντόπινγκ με βάση το λίθιο, όπως η μετανάστευση ιόντων και η ευαισθησία στην υγρασία, που συχνά οδηγούν σε υποβάθμιση της συσκευής. Οι κατασκευασμένες PSCs παρουσίασαν αξιοσημείωτη απόδοση PCE 21.85%, ξεπερνώντας την απόδοση των συμβατικών συσκευών X60 ντοπαρισμένων με Li-TFSI. Ακόμη πιο σημαντικό ήταν το γεγονός ότι η σταθερότητα αυτών των συσκευών βελτιώθηκε σημαντικά, διατηρώντας το 85% της αρχικής τους απόδοσης μετά από 1200 ώρες σε συνθήκες περιβάλλοντος, υπογραμμίζοντας την προοπτική τους για εμπορική εφαρμογή. Αυτές οι εξελίξεις αποτελούν ένα σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών, υψηλής απόδοσης και ανθεκτικών PSCs. Με την αντιμετώπιση κρίσιμων περιορισμών στον σχεδιασμό των HTL, στη σταθερότητα των υλικών και στην αποδοτικότητα της μεταφοράς φορτίου, η παρούσα εργασία ανοίγει τον δρόμο για εμπορικά βιώσιμες τεχνολογίες περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ εργαστηριακής έρευνας και βιομηχανικής εφαρμογής. Οι στρατηγικές βελτίωσης των διεπαφών εφαρμόστηκαν για τη μείωση της επανασύνδεσης των φορέψν χωρίς εκπομπή ακτινοβολίας και τη βελτιστοποίηση της εξαγωγής φορτίου. Ένα νέο μόριο αζουλενίου-πυριδίνης (Azulene-Pyridene, AzPy) συντέθηκε και ενσωματώθηκε σε PSCs για την ενίσχυση της απόδοσης και της σταθερότητας των συσκευών. Όταν εφαρμόστηκε τόσο στα στρώματα μεταφοράς οπών όσο και στα στρώματα μεταφοράς ηλεκτρονίων, το AzPy διευκόλυνε την αποδοτική εξαγωγή φορτίου και παθητικοποίησε τη διεπαφή, επιτυγχάνοντας απόδοση 20.42% και σημαντικές βελτιώσεις στην αντοχή σε υγρασία και θερμότητα. Η ολοκληρωμένη βελτιστοποίηση των διεπαφών, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας της επιφάνειας με n-Hexylammonium Bromide βελτιστοποίησε περαιτέρω τις διεπαφές της συσκευής, αυξάνοντας την επιχειρησιακή ανθεκτικότητα κατά περισσότερο από 50% υπό υψηλή θερμοκρασία και συνεχή φωτισμό. Η ενσωμάτωση του Οctylammonium Bromide (OABr) στο στάδιο του αντιδιαλύτη διευκόλυνε την παθητικοποίηση ατελειών, βελτίωσε την κρυστάλλωση και μείωσε τις μη ακτινοβόλες απώλειες, οδηγώντας σε PSCs με PCE 20.42% και παρατεταμένη λειτουργική σταθερότητα, διατηρώντας το 80% της αρχικής απόδοσης μετά από 1.400 ώρες σε συνθήκες επιταχυνόμενης γήρανσης ISOS-L2.Διερευνήθηκαν επίσης περοβσκίτες μεγάλου ενεργειακού χάσματος, με εφαρμογή του 4F-Phenethylammonium Chloride (4F-PEACL) για την επεξεργασία της επιφάνειας σε τριπλής κατιονικής σύνθεσης περοβσκίτες με ενεργειακό χάσμα 1.74 eV. Αυτή η μέθοδος παθητικοποίησε τα ελαττώματα, βελτίωσε την κρυστάλλωση και ενίσχυσε τις οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, επιτυγχάνοντας PCE 20.27% με μειωμένη μη ακτινοβόλο επανασύνδεση και βελτιωμένη τάση ανοικτού κυκλώματος (Voc). Η απλότητα και η επεκτασιμότητα της μεθόδου υπογραμμίζουν τη δυνατότητα βιομηχανικής εφαρμογής χωρίς πρόσθετες πολυπλοκότητες παραγωγής. Τα ευρήματα συλλογικά αντιμετωπίζουν κρίσιμες προκλήσεις στα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη, παρουσιάζοντας κλιμακωτές και οικονομικά αποδοτικές λύσεις για την απόδοση, τη σταθερότητα και τη δυνατότητα κατασκευής. Το έργο αυτό θέτει τα θεμέλια για την ευρύτερη εμπορευματοποίηση και ενσωμάτωση των PSCs στις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών επόμενης γενιάς.