Ανάπτυξη υβριδικών περοβσκιτών και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις τρίτης γενιάς
Authors: Χριστόπουλος Ελευθέριος 
Published: July 2023

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται οι υβριδικοί αλογονούχοι περοβσκίτες και η εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Οι περοβσκίτες παρουσιάζουν οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες που τους κάνουν ιδανικούς υποψήφιους προς εκμετάλλευση σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η επιλογή των στοιχείων τα οποία συνθέτουν το περοβσκιτικό υλικό καθώς και η μέθοδος της σύνθεσής του επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Παρά τη ραγδαία ανάπτυξη των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η αστάθεια που παρουσιάζουν σε βάθος χρόνου έχει αποτρέψει την εμπορευματοποίησή τους. Η κύρια αιτία του προβλήματος είναι η ευαισθησία που επιδεικνύουν κατά την έκθεσή τους σε συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή υγρασίας και οξυγόνου. Η αποδόμηση του περοβσκιτικού υλικού συναντάται επίσης και σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και συνεχόμενης ακτινοβόλησης του υλικού. Αποτέλεσμα αυτών είναι η διάσπαση της δομής του περοβσκιτικού κρυστάλλου και η δημιουργία ανεπιθύμητων υποπροϊόντων (π.χ. PbI2). Επίσης η πιθανή παρουσία κρυσταλλικών ατελειών κατά τη σύνθεση του περοβσκίτη επιταχύνει την αποδόμηση του υλικού. Παρακινούμενη, από την επίλυση του προβλήματος της αστάθειας των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η εργασία εστιάζει σε τεχνικές και μεθόδους προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ξεκινώντας από την επιλογή ενός σταθερού περοβσκιτικού υλικού (CsFAMAPbI3-xBrx) με τρισδιάστατη δομή και στοιχειομετρία τύπου ΑΒΧ3 και την εφαρμογή του σε μία μεσοπορώδη φωτοβολταϊκή διάταξη, αναζητήθηκαν μηχανισμοί προστασίας του περοβσκιτικού υλικού από την επίδραση του περιβάλλοντος και μείωσης των δομικών ατελειών κατά τη διαδικασία της σύνθεσής του. Εν ολίγοις, μελετήθηκε η επίδραση της μηχανικής της διεπιφάνειας ανάμεσα στο υλικό μεταφοράς των ηλεκτρονίων και τον περοβσκίτη, καθώς και ανάμεσα στον περοβσκίτη και το υλικό μεταφοράς των οπών. Η τροποποίηση των διεπιφανειών σε μία περοβσκιτική φωτοβολταϊκή διάταξη με τη χρήση υδρόφοβων υλικών, βελτιώνει αισθητά την σταθερότητά τους στον χρόνο αλλά και τη συνολική φωτοβολταϊκή τους λειτουργία. Βάσει αυτού, διερευνήθηκε η επίδραση της διαστατικής μηχανικής, δημιουργώντας φωτοβολταϊκές διατάξεις με 3D/1D δομές. Η σύνθεση του νέου μονοδιάστατου περοβσκίτη HMImPbI3 και η εφαρμογή του στις φωτοβολταϊκές διατάξεις, οδήγησε σε εξαιρετικά αποτελέσματα, όσον αφορά στη σταθερότητα των διατάξεων στον χρόνο πρωτίστως, αλλά και στη συνολική φωτοβολταϊκή λειτουργία των διατάξεων δευτερευόντως. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζει στην εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής (διαστατική μηχανική) σε περοβσκιτικές φωτοβολταϊκές διατάξεις με βάση τον κασσίτερο, (B = Sn) χάριν της χαμηλότερης τοξικότητας από τον μόλυβδο. Ο κασσίτερος οξειδώνεται από Sn2+ σε Sn4+ λόγω της παρουσίας του οξυγόνου, με αποτέλεσμα την παύση της λειτουργίας των εν λόγω διατάξεων, εξαιτίας της γρήγορης αποδόμησης του περοβσκιτικού υλικού. Η δημιουργία της 3D/1D δομής βελτίωσε αισθητά την κρυσταλλικότητα του λεπτού υμενίου περοβσκίτη, θέτοντας τις βάσεις για την δημιουργία διατάξεων με αυξημένη σταθερότητα στον χρόνο.