Ανάπτυξη Εύκαμπτων Φωτοβολταϊκών Διατάξεων με δομή Περοβσκίτη
Creators: name: Καμαράκη, Χριστίνα Χαραλάμπους
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Περοβσκίτες
Φωτοβολταϊκά κελιά
Perovskites
Solar Cells
Slot – Die Coating

description: Στη παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη και χαρακτηρισμός υμενίων περοβσκίτη, καθώς και κατασκευή εύκαμπτων φωτοβολταϊκών διατάξεων με τη χρήση περοβσκίτη ως φωτοενεργό υλικό με slot – die coating, τεχνική συμβατή με roll – to – roll διεργασίες. Ειδικότερα, έγινε βελτιστοποίηση των κρίσιμων παραγόντων ανάπτυξης για κάθε στρώμα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στο υμένιο περοβσκίτη. Απώτερος σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μελλοντική παραγωγή φωτοβολταϊκών περοβσκίτη σε μεγάλη κλίμακα, καθώς αποτελούν την πιο ταχέως αναπτυσσόμενη και πολλά υποσχόμενη κατηγορία φωτοβολταϊκών κελιών της τελευταίες γενιάς. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή στις φωτοβολταϊκές διατάξεις και παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού κελιού καθώς και οι διάφορες γενιές φωτοβολταϊκών διατάξεων που υπάρχουν ως σήμερα. Το επόμενο κεφάλαιο επικεντρώνεται στους περοβσκίτες, και κυρίως στην κατηγορία των υβριδικών περοβσκιτών, των οποίων οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες είναι ιδιαίτερα ελκυστικές. Ειδικότερα, αναλύεται η επίδραση κάθε στοιχείου της δομής στο ενεργειακό χάσμα και η δυνατότητα συντονισμού του, ο τρόπος σύνθεσης και αποσύνθεσης του περοβσκίτη καθώς και οι κυρίαρχοι παράγοντες που επηρεάζουν τόσο το σχηματισμό όσο και τη σταθερότητα του. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά και ανάλυση των αρχών λειτουργίας των τεχνικών ανάπτυξης και χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρονται αναλυτικά οι πειραματικές συνθήκες διεξαγωγής των πειραμάτων. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική της φωτοβολταϊκής διάταξης που κατασκευάστηκε, τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και η διαδικασία παρασκευής των αντίστοιχων διαλυμάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο επιτεύχθηκαν ελεγχόμενες συνθήκες υγρασίας στο χώρο διεξαγωγής του πειράματος καθώς και η αναλυτική περιγραφή κατασκευής των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Ακολουθεί το πέμπτο κεφάλαιο στο οποίο γίνεται η ανάλυση των αποτελεσμάτων. Αρχικά, αναλύεται η διαδικασία βελτιστοποίησης κάθε στρώματος που απαρτίζει τη φωτοβολταϊκή διάταξη ξεχωριστά, ξεκινώντας από το στρώμα μεταφοράς οπών (Hole Transport Layer – HTL), PEDOT:PSS. Για το συγκεκριμένο στρώμα μελετήθηκαν διαφορετικές συστάσεις διαλύματος, ώστε να υπάρχει καλή εκτυπωσιμότητα και το υμένιο που προκύπτει να έχει το κατάλληλο πάχος και μειωμένη τραχύτητα. Έπεται, η βελτιστοποίηση του υμενίου περοβσκίτη, όπου στην προκειμένη περίπτωση μελετήθηκε η επίδραση της ροής αζώτου και της θερμοκρασίας ανάπτυξης, στις δομικές, οπτικές και μορφολογικές του ιδιότητες. Ακολουθεί η μελέτη του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων (Electron Transport Layer -ETL), ώστε να διαθέτει κατάλληλο πάχος και να ομαλοποιεί επιτυχώς την επιφάνεια του περοβσκίτη. Τέλος, παρουσιάζεται η επιρροή των παραπάνω παραγόντων στην απόδοση των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση των παραγόντων που εξετάστηκαν και παρουσιάζονται εν συντομία τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Αναφέρονται επίσης οι προβληματισμοί και τα προβλήματα που γεννήθηκαν κατά την εκπόνησή της και προτείνονται λύσεις και μελλοντικά βήματα
description: The present diploma thesis deals with the fabrication of flexible perovskite solar cells, via slot – die coating, a Roll – to – Roll (R2R) compatible technique. The parameterization of crucial deposition parameters for each layer of the solar cell structure, and especially for perovskite took place. The procedure that has been developed paves the way for the future upscaling and large area production of perovskite solar cells. The first chapter is an introduction about the fundamentals for photovoltaics and the various generations of solar cells technologies until now. The next chapter focuses on perovskites and especially hybrid perovskites, as their optoelectronic properties are very attractive. In particular, the bandgap tunability, the formation and degradation of the perovskite as long as the main parameters, which affect its formation and stability are described. The third chapter refers to the deposition and characterization techniques, which are used and their principles. The fourth chapter describes the experimental conditions. The architecture of the solar cell, the materials that have been used and the preparation of the corresponding solutions are presented. Moreover, the way that controlled conditions of humidity had been achieved as long as the analytical procedure of fabrication of perovskite solar cells are reported. The results of the experiments are represented at the fifth chapter. Firstly, The optimization of each layer of the solar cell structure is reported, beginning with the HTL, PEDOT:PSS. Different solution concentrations have been investigated in order to achieve good printability of the solution and reduced roughness and ideal thickness of the layer. Moving on to perovskite layer, the effect of nitrogen flow and processing temperature to the morphological, optical and crystal properties of perovskite has been studied. Concerning the ETL, PCBM, the proper deposition parameters have been found so as to achieve the planarization of the perovskite’s surface with the minimum thickness of PCBM layer. Finally, the effect of the above parameters to the photovoltaic performance of the solar cells has been examined. In the last chapter, a brief review of the examined parameters, the results and the conclusions that have been obtained are presented. Also, the raised concerns and problems and the proposed solutions and future steps are discussed