Μελέτη και βελτιστοποίηση λειτουργικών διεπιφανειών σε φωτοβολταϊκές διατάξεις υβριδικών αλογονούχων περοβσκιτών
Authors: Γκίνη Κωνσταντίνα 
Published: February 2023

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός διατάξεων μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκών διατάξεων), με την ενσωμάτωση προηγμένων υλικών, μη τοξικών, υψηλής σταθερότητας, εύκολης παρασκευής και χαμηλού κόστους, στην διεπιφάνεια του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων και του απορροφητή. Αναλυτικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στην κατασκευή ηλιακών κυψελίδων 3ης γενιάς και συγκεκριμένα στις ηλιακές κυψελίδες περοβσκιτών, όπου ο απορροφητής είναι ο περοβσκίτης του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μόλυβδου (methylammonium lead triiodide, CH3NH3PbI3), ο οποίος ακολουθεί τον γενικό χημικό τύπο ABX3, ενώ η κατασκευή των φωτοβολταϊκών διατάξεων βασίζεται στη συμβατική δομή της μορφής n-i-p. Η βασική δομή των περοβσκιτικών ηλιακών κυψελίδων (ΠΗΚ) είναι στρωματικού τύπου και τα κύρια μέρη μιας ΠΗΚ που επηρεάζουν τη φωτοβολταϊκή της συμπεριφορά και σταθερότητα είναι: (α) το υμένιο μεταφοράς ηλεκτρονίων και η διεπιφάνειά του με τον απορροφητή, (β) το υμένιο του περοβσκίτη και (γ) το υμένιο μεταφοράς οπών και η διεπιφάνειά του με τον περοβσκίτη. Ο μηχανισμός λειτουργίας μιας ηλιακής κυψελίδας περοβσκίτη αποτελείται από τα παρακάτω βασικά στάδια. Τα προσπίπτοντα φωτόνια απορροφώνται από τον περοβσκίτη δημιουργώντας εξιτόνια (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) τα οποία διαχέονται σε όλο τον περοβσκίτη. Ένα ποσοστό αυτών επανασυνδέεται ενώ τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια εγχέονται στο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων και στη συνέχεια μεταφέρονται στο εξωτερικό κύκλωμα ενώ οι οπές μετακινούνται προς το υλικό μεταφοράς οπών. Μη ακτινοβολούμενη επανασύνδεση φορέων φορτίου, αναντιστοιχία των ενεργειακών επιπέδων των υλικών και οπτικές απώλειες στις διεπαφές δυσχεραίνουν τη λειτουργία της ΠΗΚ και η αντιμετώπισή τους είναι απαραίτητη για την βελτίωση της απόδοσης και της σταθερότητας. Η επιφάνεια του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων έχει μια επιπλέον σημαντικότητα καθώς αποτελεί το υπόστρωμα στο οποίο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι του περοβσκίτη στη δομή n-i-p και, συνεπώς, η ιδιότητές της επηρεάζουν τον σχηματισμό τους. Η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε στη βελτίωση της επαφής του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων με το υμένιο περοβσκίτη ώστε να περιοριστούν, ή και να αντιμετωπιστούν πλήρως, τα φαινόμενα που περιορίζουν τη βέλτιστη λειτουργία και μειώνουν τον χρόνο ζωής των φωτοβολταϊκών διατάξεων με περοβσκίτες. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν υλικά με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες που, όμως, έχουν ως κοινά χαρακτηριστικά το χαμηλό κόστος, την εύκολη παρασκευή χωρίς την κατανάλωση μεγάλων ποσών ενέργειας, είναι φιλικά προς το περιβάλλον και παρουσιάζουν υψηλή σταθερότητα. Σε πρώτη φάση, μελετήθηκαν πορφυρίνες, είτε σε συνδυασμό με ένα μόριο BODIPY είτε μεταλλωμένες. Η μελέτη συνεχίστηκε χρησιμοποιώντας το γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα ως υλικό τροποποίησης, τόσο του μεσοπορώδους όσο και του συμπαγούς υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων, και τελείωσε με την ενσωμάτωση ενός μεταλλικού χλωριδίου σε περοβσκιτικές ηλιακές κυψελίδες επίπεδης δομής. Κάθε τροποποίηση μελετήθηκε ως προς την επίδρασή της στις ιδιότητες των υμενίων μεταφοράς ηλεκτρονίων και του περοβσκίτη, αλλά και ως προς τη φωτοβολταϊκή συμπεριφορά των προκυπτουσών ηλιακών κυψελίδων και τη σταθερότητά τους. Μέσα από ποικίλους χαρακτηρισμούς τα υμένια και οι ηλιακές κυψελίδες αξιολογήθηκαν ως προς την μορφολογία, την κρυσταλλικότητα, τις ενεργειακές ζώνες, τη δυναμική των φορέων φορτίου, τη φωτοβολταϊκή απόδοση και σταθερότητα, και εξήχθησαν συμπεράσματα για την επίδραση του εκάστοτε υλικού στις ΠΗΚ.