Η Συμμετοχή του Χλωρίου στην Ενίσχυση της Κρυσταλλικότητας και της Απόδοσης Ηλιακών Κελιών με Δομή Περοβσκίτη και Κατασκευή Πλήρως Εκτυπωμένων Διατάξεων
Creators: name: Γαλατσόπουλος, Αναστάσιος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Περοβσκίτες
Φωτοβολταϊκά
Χλώριο
Perovskites
Photovoltaics
Chlorine

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματική εργασίας είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός υμενίων περοβσκίτη με προσθήκη χλωριούχου μολύβδου ως ενισχυτικό κρυστάλλωσης. Ακόμη, κατασκευάστηκαν εύκαμπτες φωτοβολταϊκές διατάξεις με τα υμένια περοβσκίτη ως φωτοενεργά στρώματα. Η τεχνική ανάπτυξης των φωτοβολταϊκών περοβσκίτη ήταν το slot- die coating, το οποίο ήδη χρησιμοποιείται στην κατασκευή εκτυπωμένων φωτοβολταϊκών μεγαλύτερης κλίμακας καθώς είναι συμβατή με roll-to-roll διεργασίες. Το τελευταίο στοιχείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό εξαιτίας των δυνατοτήτων που χαρακτηρίζουν τους περοβσκίτες και τους καθιστούν μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία στον τομέα των φωτοβολταϊκών και όχι μόνο. Η μελέτη που πραγματοποιήθηκε στηρίχθηκε στην ανάπτυξη υμενίων περοβσκίτη για τα οποία χρησιμοποιήθηκαν διαλύματα διαφορετικής περιεκτικότητας PbCl 2 . Εξετάσθηκαν τόσο η μορφολογία και η επιρροή του χλωρίου στην κρυσταλλικότητα του περοβσκίτη όσο και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των παραγώμενων φωτοβολταϊκών κελιών. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας, περιέχεται μία εισαγωγή στις βασικότερες έννοιες περί των φωτοβολταϊκών διατάξεων και η επεξήγηση της αρχής λειτουργίας τους. Αναφέρονται ακόμη οι γενιές των φωτοβολταϊκών, οδηγώντας μας στο σήμερα (τρίτη γενιά φωτοβολταϊκών και φωτοβολταϊκά με δομή περοβσκίτη). Το επόμενο κεφάλαιο εισάγει τον αναγνώστη στον τομέα τον περοβσκιτών δίνοντας τους τις κυριότερες πληροφορίες που τους αφορούν. Εξηγείται η ιστορία των περοβσκιτών, η δομή και τα χαρακτηριστικά τους, καθώς και τα βασικότερα στοιχεία τα οποία οδηγούν στην σταδιακή αλλοίωση των υλικών αυτών και επομένως την υποβάθμιση της απόδοσης των ηλιακών κελιών τα οποία βασίζονται σε αυτά. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται συνοπτικά οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και των χαρακτηρισμό των φωτοβολταϊκών διατάξεων, οδηγώντας έτσι τον τέταρτο κεφάλαιο που αφορά την πειραματική διαδικασία της μελέτης που περιγράφεται. Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά την περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας. Συγκεκριμένα, εξηγείται πλήρως η αρχιτεκτονική των φωτοβολταϊκών περοβσκίτη της μελέτης μας, το κάθε στρώμα που περιέχεται σε αυτήν και ο τρόπος παρασκευής των διαλυμάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Ακόμη, προσδιορίζονται οι συνθήκες που επικρατούσαν κατά την παραγωγική διαδικασία (πχ. υγρασία). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού της ποιότητας των υμενίων και των διατάξεων που κατασκευάστηκαν καθώς και η ανάλυση αυτών. Για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές της Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων, της Περίθλασης Ακτίνων-Χ και της Φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας, ενώ για τον έλεγχο τον ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τον κελιών χρησιμοποιήθηκε προσομοιωτής του ηλικού φωτός ( solar simulator). Στην αρχή προσδιορίζονται οι μεταβολές στην επιφανειακή μορφολογία των υμενίων περοβσκίτη καθώς αλλάζει η περιεκτικότητα των διαλυμάτων σε χλώριο. Στην συνέχεια μελετάται η αλλαγή της κρυσταλλικότητας του περοβσκίτη και ο έλεγχος των οπτικών του χαρακτηριστικών. Στο τέλος του κεφαλαίου, αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και η απόδοση των φωτοβολταϊκών κελιών. Το έκτο κεφάλαιο αφορά την μελέτη γύρω από την παραγωγή πλήρως εκτυπωμένων ηλιακών κελιών με δομή περοβσκίτη. Σε αυτό περιγράφεται τόσο η πειραματική διαδικασία για την ανάπτυξη των κελιών όσο και οι παράγοντες οι οποίοι εξετάσθηκαν. Για την παραγωγή των πλήρως εκτυπωμένων κελιών χρησιμοποιήθηκαν νανοϊνες αργύρου τις οποίες προμηθευτήκαμε μέσω της εταιρείας OET ενώ η εκτύπωση τους επάνω από το υμένιο PCBM έγινε μέσω της τεχνικής slot-die. Για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών εκτύπωσης, όπως η κατάλληλη ροή εκτύπωσης και η επιρροή του sintering των NWs στην εκτύπωση. Στην συνέχεια του ίδιου κεφαλαίου παρατίθενται τα αποτελέσματα του μορφολογικού και οπτικού ελέγχου των υμενίων περοβσκίτη και NWs καθώς και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των τελικών κελιών. Τέλος, στα κεφάλαια που απομένουν (7 ο , 8 ο ) γίνεται μία συζήτηση των αποτελεσμάτων και μία σύνοψη των όσων προέκυψαν από την μελέτη που πραγματοποιήθηκε. Ακόμη, στο τελευταίο κεφάλαιο περιέχεται το τι επιτεύχθει μέσω της εργασίας αυτής, ποιοι προβληματισμοί δημιουργήθηκαν, ποιες λύσεις υπάρχουν και γίνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα
description: This diploma thesis regards the fabrication and characterization of perovskite thin films containing PbCl 2 in different ratios. The shifts of the surface morphology and internal crystallinity of the perovskite is included in order to explain the variations of the Power Conversion Efficiency (PCE) and the electrical properties of the perovskite solar cells. Concerning the fabrication procedure, the slot-die coating was used, accenting the chances for developing perovskite solar cells in larger scale via Roll-to-Roll techniques. The first chapter introduces the reader to the operating principles of photovoltaic solar cell and the solar cells generations until now (3third generation of solar cells and perovskite solar cells). The next chapter includes the fundamentals of perovskite solar cells, giving the main information on the field. In particular, the crystal structure, the main physical properties and the parameters of perovskite’s formation, stability and degradation are described. In the third chapter, there is a short report of the techniques that were used for the fabrication and characterization of the perovskite films and solar cells. In the next chapter, the experimental conditions are described. The solar cell architecture, the properties of each layers and the materials’ solutions synthesis are included. Also, the fabrication conditions (such as humidity) are defined so as to accent the way they were set and maintained. The sixth chapter is about the study on the manufacturing of fully-printed perovskite solar cells. In this, the experimental procedure and the most important factors of this are studied. For this research Ag nanowires were used, which were given to us from Organic Electronics Company. We printed the nanowires layer on the PC 60 BM film via slot-die technique. Our purpose was to examine the best printing conditions and factors in order to have a good-quality and functional top electrode. Also in the same chapter, the morphological, optical and electrical characterization of the produced solar cells is included The results of the quality characterization and the analysis for the perovskite films and the solar cells that were developed are included in the fifth chapter. For the layers’ characterization Atomic Force Microscopy (AFM), X-Ray Diffraction (XRD) Spectroscopic Ellipsometry (SE) were used, while for investigating the electrical properties of the perovskite cells we used a solar simulator. Firstly the changes of the films’ surface morphology when the Cl contents rises are presented. Following this, the perovskite crystallinity is defined to show the affect of chlorine in crystal size and orientation. Also, in the last part of this chapter, solar. cells’ electrical characteristics and efficiency included. In the remaining chapter there is a discussion on the results that originated from our research, and the problems that we faced and solved to complete the experiments. Finally, the last part presents number of proposals for next research steps