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

Abstract

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.

Passivation Engineering Using Ultrahydrophobic Donor–π–Acceptor Organic Dye with Machine Learning Insights for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

“…Thus, the ML approach based on this model was further expanded and used to develop a versatile platform able to predict the photovoltaic performance of the investigated devices with high accuracy. The online prediction model was developed using python code and streamlit cloud, [ 61 ] is freely available, and permits the determination of the PCE as a function of the cell parameters. By modifying the corresponding parameters, we were able to extract very useful information about their interdependency and determine the critical values that might lead to optimal performance of the device, without the need for additional costly and time‐consuming experimental work.…”