Film formation of mixed-halide perovskites for PSCs

Abstract

Over the last few years there has been a steady increase in interest in the exploration of perovskite materials within photovoltaic research. This can to a large extent be attributed to the incredible pace at which solar cells based on perovskites have improved in efficiency during the same time period. Perovskite solar cells (SCs) are not only an alternative to today’s market leading silicon based devices, but can also be a complement and improve efficiency by being used together with silicon in a tandem configuration. For mixed halide perovskites that can be used for these types of applications, fundamental knowledge about the film formation process is still insufficient to overcome some of the challenges faced. A more detailed understanding of the mechanisms, and of important conditions for film formation can help to improve the quality of the films and the performance and stability of the solar cells, which is important in order to develop market-ready solar cell devices.

This project focused on the film formation process of mixed halide perovskites and
on some of the parameters affecting the film formation conditions. The MAPb(Ix,
Br1-x)3 perovskite series with different Br/I ratios was studied in-situ during spin coating of the film using an optical tracking device. Together with the subsequent use of SEM imaging, the resulting film morphology could be revealed. How antisolvent treatment conditions during spin coating affect the crystallization process and resulting film was investigated as well as how this translates to device level and the performance of the solar cells. Further, the effects on film quality and device performance when adding an alkali salt as an interface modifier (IM) in between the SnO2 electron transport layer and the perovskite film were studied, as this has been shown to improve device performance when using other perovskite ionic compositions. We found that antisolvent treatment was beneficial for formation of closed films with a smooth surface and that the timing of the antisolvent drop seemed to have a slight effect on the resulting film quality as well as on device performance. Resulting film morphology can not be directly translated from tests on glass substrates to device level as we could see that films that were spin coated on a layer of SnO2 differed in morphology to those spin coated directly on a glass surface, and the improvement in film quality using antisolvent treatment became less apparent in these samples. Further, we found that devices in which KNO3 was included as an IM generally had less holes in the perovskite film at the interface and the VOC was improved. The effect of the IM seemed to depend on halide ratio of the perovskite as improvements in overall device performance could only be observed for the pure iodide perovskite.

Popular Abstract (Swedish)

Perovskitsolceller har blivit ett populärt forskningsområde eftersom de har haft en exceptionellt snabb utveckling i verkningsgrad under de senaste åren. Trots att perovskitbaserade solceller nu har nått verkningsgrader jämförbara med kiselsolceller, så återstår flera utmaningar för att möta solcellsmarknadens förväntningar för de applikationer där man hoppas att perovskiterna ska komplettera kiselsolcellerna. Större detaljkunskap om framställningen av perovskitmaterial och hur rätt justering av tillverkningsparametrar kan optimera materialkvalité kan hjälpa till att förverkliga framtidens solceller.

Perovskiter är material med en specifik kristallstruktur, men med varierande kemisk sammansättning. Särskilt viktigt för attraktiva applikationer, såsom tandemsolceller där kisel- och perovskitsolceller kombineras för optimalt utnyttjande av solenergin, är perovskiter där ämnena brom och jod blandas i olika proportioner. I denna studie har sådana perovskiter undersökts, specifikt kristaller som består av metylammonium och bly som positiva joner, samt jod och brom i varierande proportion som negativa joner. Dessa har den kemiska formeln MAPb(Ix, Br1-x)3 där x är andelen jod av de negativa jonerna.

I studien undersöktes perovskitmaterialens kvalité beroende på ett par utvalda processparametrar för framställningen. Vidare har det undersökts hur detta översätts till solcellsnivå och hur dessa presterar gällande ström, spänning och stabilitet. De parametrar som har undersökts är användningen av antilösningsmedel (antisolvent) samt vilket material som perovskitlagret ska kristallisera på.

En vanlig tillverkningsmetod för perovskitlagret i solceller på labbnivå är spin-coating, där en lösning innehållande de joner som ska kristalliseras till perovskitlagret droppas på ett snabbt roterande substrat så att droppen genom centrifugalkraft sprids ut till en jämn film över substratet, varpå jonerna i lösningen kristalliserar och bildar ett perovskitmaterial. Denna process kan manipuleras och påskyndas genom att addera ytterligare en droppe av ett annat lösningsmedel som i sin tur driver ut lösningsmedlet från den första droppen, ett så kallat antilösningsmedel.

Resultatet från studien visade att användning av antilösningsmedel förbättrar kvalitén på perovskitlagret som får en jämnare och mer heltäckande yta. Detta har kunnat påvisas både med in-situ mätningar där kristallisationsprocessen studeras i realtid samt med elektronmikroskopbilder av materialet. Resultatet är speciellt intressant då kristalliseringsprocessen skiljer sig mycket åt beroende på proportionen av jod och brom i perovskitmaterialet - trots detta gav antilösningsmedlet en liknande förbättring för samtliga perovskiter. Det gick också att se att tidpunkten för när antilösningsmedlet tillsätts troligtvis har en viss påverkan på kvalitén både på själva materialet och på solcellerna. Vilken tidpunkt som är bäst beror dock på den kemiska sammsättningen av perovskiten, alltså andelen av jod respektive brom.

I projektet testades också vilken påverkan det har om ett saltlager läggs på som ett slags buffertlager ovanpå kontaktmaterialet i solcellen, innan perovskitlösningen tillsätts. Saltet som användes var kaliumnitrat (KNO3), vilket tidigare har visat sig förbättra perovskitsolcellers verkningsgrad. Elektronmikroskopbilder visade att detta lager troligtvis ökar kontaktytan mellan perovskitlagret och kontaktlagret för alla eller åtminstone flera av perovskiterna. En förbättring konstaterades också gällande solcellernas prestation, där solcellerna med kaliumnitrat gav en högre spänning. En förbättring av solcellerna gällande alla testade parametrar sågs dock bara för perovskiterna som inte innehöll brom, vilket visar att saltets påverkan nog beror på perovskitsammansättningen.

Studien ger en första indikation om möjligheten att förbättra perovskitmaterial med hjälp av framställningsparametrar som användning av antilösningsmedel och rätt slags yta för perovskiten att kristallisera på. Vidare studier behövs för att fastställa detaljerna för hur dessa parametrar bäst optimeras för vart och ett av perovskitmaterialen och precis vilken påverkan de har på kristalliseringen.

• author: Ekstedt, Lina
• supervisor: Eva Unger; Magnus Borgström
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Mixed Halide Perovskites, Perovskite Solar Cells, Bandgap Tuning, In-situ Spectroscopy, Antisolvent, Interface Modifier.
• language: English
• id: 9044967
• date added to LUP: 2021-05-21 09:41:21
• date last changed: 2021-05-21 09:41:21