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Investigation of Stability and Reproducibility of Perovskite Solar Cells

Sun, Qing

German Title: Untersuchung der Stabilität und Reproduzierbarkeit von Perowskit-Solarzellen

[img] PDF, English
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Abstract

Last decade has witnessed a remarkable increase in the efficiency of photovoltaic devices based on lead halide perovskite materials. However, the stability and reproducibility of perovskite solar cells remain two of the biggest challenges impeding their application as the next generation of low-cost and efficient photovoltaics. This thesis aims to investigating these two issues in three parts. First, we reveal the important role of microstructure in the degradation processes of methylammonium lead triiodide perovskite films in controlled oxygen atmospheres under continuous illumination. CH3NH3PbI3 films with small, irregular grains and high defect density degrade much faster and more severely than films with large uniform grains and better electronic properties. The second part of this thesis demonstrates that the presence of large-scale chemical compositional and electronic inhomogeneities in CH3NH3PbI3 films is a common issue, and suggests one way to mitigate this problem by improving the fabrication process to obtain a perovskite layer with a uniform surface composition and electronic properties. The last section aims to improve the reproducibility of triple cation perovskite (Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.9Br0.1)3) devices by optimizing the antisolvent treatment procedure. Scanning electron microscopy and photovoltaic measurements elucidate the relationship between antisolvent type and dripping speed on perovskite film formation and device performance.

Translation of abstract (German)

Im vergangenen Jahrzehnt konnte die Effizienz von Photovoltaik Bauteilen auf Basis von Bleihalogenoid-Perowskit Materialien erheblich gesteigert werden. Die Stabilität und Reproduzierbarkeit von Perowskit-Solarzellen sind jedoch nach wie vor zwei der größten Herausforderungen und stehen ihrer Einführung als kostengünstige und effiziente Nachfolgegeneration für Photovoltaik Bauteile im Weg. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, diese beiden Aspekte in drei Teilen zu untersuchen. Zunächst veranschaulichen wir die Bedeutung der Mikrostruktur beim Abbau von Methylammonium-Blei-Triiodid-Perowskit-Filmen unter kontrollierter Atmosphäre mit variablem Sauerstoffgehalt und kontinuierlicher Beleuchtung. CH3NH3PbI3-Filme mit kleinen, unregelmäßig geformten Kristallkörnern und hoher Defektdichte werden deutlich schneller und stärker abgebaut, als Filme mit großen, gleichmäßig geformten Kristallkörnern und besseren elektronischen Eigenschaften. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Vorhandensein von großflächigen Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung sowie den elektronischen Eigenschaften von CH3NH3PbI3-Filmen ein häufig auftretendes Problem ist. Des weiteren wird eine Möglichkeit vorgestellt, dieses Problem durch Verbesserung des Herstellungsprozesses zu mindern und eine Perowskitschicht mit einheitlicher Oberflächenzusammensetzung und einheitlichen elektronischen Eigenschaften zu erhalten. Der letzte Abschnitt zielt darauf ab, die Reproduzierbarkeit von Dreifachkationen-Perowskit-Bauteilen (Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.9Br0.1)3) durch Optimierung des 'Antisolvent'-Verfahrens zu verbessern. Mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie und photovoltaischen Messungen wird die Beziehung zwischen Antisolvent-Typ und Tropfgeschwindigkeit ermittelt und deren Effekte auf die Perowskitfilmbildung sowie die Leistungsfähigkeit der Bauteile untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Vaynzof, Prof. Dr. Yana
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 10 December 2019
Date Deposited: 08 Jan 2020 10:43
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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