Perovskite güneş hücrelerinde degredasyon mekanizmalarının incelenmesi ve kararlılığın arttırılması
Investigation of the degradation mechanisms in perovskite solar cells and stability improvement
Yazar: ADEM MUTLU
Danışman: PROF. DR. CEYLAN ZAFER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Fotovoltaik araştırmalarındaki en yeni başarı örneklerinden biri, güneşten elektriğe yüksek güç dönüşüm verimliliği (PCE) sunan organometal kurşun halojenür perovskite güneş hücrelerinin ortaya çıkmasıdır. Bununla birlikte, toksik kurşunun varlığı ve kararsızlığı, toksik olmayan, çevre dostu, doğada daha çok bulunan, daha basit ve yapısal olarak daha kararlı, yüksek performansla çalışabilecek yeni ışık soğuran malzemelerin arayışına yol açmıştır. Bu tezin ilk bölümünde, benzil klorür (BCl) ve benzil bromür (BBr) gibi iki farklı reaktif, tek aşamalı kaplama yöntemi ile oluşturulan üçlü katyon perovskite ince filmlerde Kornblum oksidasyon reaksiyonları kullanılarak yapısal deformasyonları ve kararlılık problemlerini ortadan kaldırmak için anti-çözücü olarak uygulanmıştır. BBr anti-çözücüsü ile yıkanarak üretilen perovskite güneş hücresinde (PSC) yük rekombinasyonunu azalttığı ve referans klorobenzen (CB) ile yıkamaya kıyasla 1100 mV' luk daha yüksek bir açık devre gerilimi (VOC), iyileştirilmiş yük aktarımı ile %19,2 güç dönüştürme verimliliği (PCE) sağlayarak en iyi aygıt performansı elde edilmiştir. BBr ile yıkanan ince filmlerde artık kalan DMSO ve Pb-DMSO komplekslerinin tamamen uzaklaştırılmasıyla, aygıt performanslarında 1 ay sonra ilk günkü verimliliğin %94' ünü koruyan daha kararlı ve yüksek verimli güneş hücreleri elde edilmiştir.
İkinci bölümde, yüksek kristalliğe sahip, yüzey kusurları içermeyen, pürüzsüz metilamonyum bizmut iyodür (MBI) aktif katmanı elde etmek için çeşitli yeşil çözücü sistemleri kullanılmıştır. Tetrahidrofuran: 2-etoksietanol (THF:2ETO) çözücü sistemi ile hazırlanan MBI yapısının en yüksek film kalitesine sahip olduğu bulunmuştur. Yardımcı çözücü olarak 0,05 M 2ETO eklemek, yüksek kaliteli BiI3 ve MBI ince filmler üretmek için yeterlidir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizlerine göre, ana çözgen olan THF' ye eklenen 2ETO konsantrasyonuna göre BiI3 ve 2ETO arasında bir etkileşim olduğu gösterilmiştir. Bu çalışma ile, yüksek kaliteli BiI3 veya MBI ince filmler oluşturarak bizmut tabanlı güneş hücrelerinin evrimini hızlandırabilecek olan THF-2ETO çözücü sisteminin önemi ortaya koyulmuştur.
Üçüncü bölümde, Ag3BiI6 güneş hücrelerinde karşılaşılan metalik Bi0 türlerini bastırmak için bakır (I) bromür (CuBr) eklenerek cihaz verimi ve kararlılığı arttırılmıştır. XPS ölçümleri, az miktarda CuBr eklenmesinin, üretim sürecinde karşılaşılan, kararlılığı ve verimi olumsuz etkileyen az miktarda metalik Bi0 oluşumunu baskıladığını göstermiştir. En yüksek verimliliğe sahip CuBr-AgI-BiI3 sistemi ile üretilen cihazlar, kontrol cihazının performansını %0,4' ten %0,7' ye yükseltmiştir ve dayanıklılığı önemli ölçüde arttırılmıştır. 7 haftalık kararlılık testi sırasında, kontrol cihazının başlangıç verimliliğinde %40' lık bir düşüş gözlemlenirken, az miktarlarda CuBr eklendiğinde ise verimlilikte %11,4' lük bir düşüş gözlemlenmiştir. Bu çalışma, Ag3BiI6 güneş hücrelerinin üretim sürecinde ortaya çıkan metalik Bi0 türlerini bastırmak ve cihaz verimliliğini ve kararlılığını artırmak için bakır (Cu) katkısını içeren oldukça etkili bir yaklaşım sunmaktadır.

Abstract:
One of the most recent examples of success in photovoltaic research is the emergence of organometal lead halide perovskite solar cells that offer high power conversion efficiency (PCE) from solar to electricity. However, the presence and instability of toxic lead has led to the search for new light-absorbing materials that are non-toxic, environmentally friendly, more abundant in nature, simpler and more structurally stable, and capable of operating with high performance. In the first chapter of this thesis, two different reagents such as benzyl chloride (BCl) and benzyl bromide (BBr) are applied as anti-solvents to eliminate the structural deformations and stability problems utilizing the Kornblum oxidation reactions in the triple-cation perovskite thin films formed by the one-step coating method. In the perovskite solar cell fabricated by washing with BBr antisolvent, it reduces the charge recombination in perovskite solar cell (PSC) and provides a higher open circuit voltage (VOC) of 1100 mV compared to washing with reference chlorobenzene (CB), yielding a 19.2% power conversion efficiency (PCE) with improved charge transport. Removal of the residual DMSO and Pb-DMSO complexes via washing with BBr results in achieving more stable and highly efficient solar cells, which maintained 94% of the initial efficiency after 1 month.
In chapter 2, various green solvent systems have been used to obtain a smooth methylammonium bismuth iodide (MBI) active layer with high crystallinity, pin-hole free. The MBI structure prepared with tetrahydrofuran:2-ethoxyethanol (THF-2ETO) solvent system was found to have the best film quality. Adding 0.05M 2ETO as the co-solvent is sufficient to produce high quality BiI3 and MBI thin films. According to the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyzes, we have demonstrated that there is an interaction between BiI3 and 2ETO according to the concentration of 2ETO added to the main THF. Our study clarifies the importance of THF-2ETO solvent system that can accelerate the evolution of the bismuth based solar cells by creating high-quality BiI3 or MBI thin films.
In chapter 3 of this thesis, to suppress metallic Bi0 species encountered in Ag3BiI6 solar cells, copper (I) bromide (CuBr) was added to increase device efficiency and stability. XPS measurements have shown that the addition of a small amount of CuBr suppresses the formation of a small amount of metallic Bi0 from the manufacturing process. The devices produced with the highest efficiency CuBr-AgI-BiI3 system increased the performance of the control device from 0.4% to 0.7% and substantially improved durability. During the 7-week stability test, we observed an 40% decrease in the initial efficiency of the control device, while we noticed an 11.4% decrease in the efficiency when adding small amounts of CuBr. This study offers a highly effective approach that involves Cu doping to suppress metallic Bi0 species that appear in the production process of Ag3BiI6 solar cells and increase device efficiency and stability.