Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6537
Main Title: Stability and properties of methylammonium lead iodide solar cells
Translated Title: Stabilität und Eigenschaften von Methylammonium-Bleiiodid Solarzellen
Author(s): Lang, Felix Christian
Advisor(s): Nickel, Norbert H.
Referee(s): Kneissl, Michael
Nickel, Norbert H.
Neitzert, Heinrich C.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Within this thesis, methylammonium lead iodide (CH3NH3PbI3), a hybrid perovskite was studied. Polycrystalline thin-films, processed from solution, reached low defect concentrations of 6.0∙1015 cm-3 and diffusion lengths of 200 nm. Investigating various device structures, a perovskite solar cell with a stabilized efficiency of 12 % was demonstrated. Combining a band gap of 1.6 eV and a low sub-band gap absorption, CH3NH3PbI3 is a promising top-cell candidate for the integration with bottom-cells from crystalline silicon (c Si) or copper-indium gallium di-selenides (CIGS). The combination forms a tandem solar cell, which has the potential to outperform the individual single junction solar cells. The integration requires the deposition of a contact, with high electric conductivity and high transparency onto the perovskite top cell. Conventional sputter deposition of transparent conductive oxides was found to deteriorate the topmost perovskite and organic layers. To tackle this challenge, large area graphene grown by chemical vapor deposition was implemented onto the perovskite solar cell. The developed water-free transfer process paved the way for a defect free implementation. The measured charge collection efficiencies and open-circuit voltages were identical to those of reference devices using opaque Au electrodes. Absorbing less than 2.7 % of the incident light, the graphene electrode enabled a perovskite top cell with an optical transmission of 64.3 % below the perovskite band gap. These graphene-contacted perovskite top-cells were the premise for perovskite/silicon tandem solar cells with 13.2 % power conversion efficiency. Thin-film tandem solar cells, comprising a CH3NH3PbI3 top-cell and a radiation hard CIGS bottom-cell are attractive for space applications since they can be thin, lightweight, flexible, and efficient. The ability of a perovskite solar cell to withstand the harsh radiation environment in space, consisting mainly of high-energy protons was demonstrated. The J–V characteristics were recorded in situ during irradiation with protons at 68 MeV of energy. The perovskite layers were found to withstand proton doses of 1012 p/cm2, which, by far, exceeds the threshold at which c-Si begins to degrade. For higher doses, localized defects were generated throughout the CH3NH3PbI3 absorber, eventually reducing the short-circuit current by 20 % at a proton dose of 1013 p/cm2. A self-healing mechanism commenced after terminating the proton irradiation. To explain the degradation and the observed recovery a microscopic mechanism was introduced. Despite the high radiation hardness, perovskite solar cells tend to decompose under the influence of moisture, heat, oxygen, and illumination. Although there has been considerable progress in the past years, reported perovskite solar cells barely reach lifetimes of 1,000 h. The industry standard, set by commercial silicon modules, in contrast, exceeds 50,000 h. The various mechanisms that are responsible for the degradation of perovskite solar cells were reviewed and their impact examined. Most importantly, hybrid perovskites exhibit several photo-induced degradation mechanisms. Illumination, for example, induces a phase separation of blended perovskites. Furthermore, photo-generated charge carriers can be trapped in the antibonding N H orbitals, which dissociates the organic cations. Microscopic mechanisms, their implications, and strategies to overcome these instabilities are discussed.
In dieser Arbeit wurde Methylammonium Bleiiodid (CH3NH3PbI3), ein hybrider Perowskit untersucht. Polykristalline Dünnfilme, die aus Lösung aufgetragen wurden, erreichten geringe Defektkonzentrationen von 6,0∙1015 cm-3 und Diffusionslängen von 230 nm. Es wurden diverse Zellstapel hergestellt und Solarzellen mit einem stabilisierten Wirkungsgrad von 12 % präpariert. Aufgrund der Bandlücke von 1,6 eV und der geringen Absorption unterhalb der Bandlücke ist CH3NH3PbI3 ein vielversprechender Kandidat als Top-Zelle für die Integration in Tandem-Solarzellen mit kristallinem Silizium (c-Si) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) als Bottom-Zelle. Derartige Tandem-Solarzellen haben das Potenzial, die entsprechenden Limitierungen der Einzel-Solarzellen zu übertreffen. Die erfolgreiche Integration setzt allerdings die Abscheidung eines hoch transparenten und sehr leitfähigen Kontaktes auf die Perowskit-Solarzelle voraus. Konventionelle Sputterdeposition von transparenten, leitfähigen Oxiden zerstört die obersten Schichten aus Perowskit und organischen Materialien. Um diese Herausforderung zu meistern, wurde großflächiges Graphen mit chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und mittels eines entwickelten Transferprozesses fast frei von Defekten auf die Perowskit Solarzelle übertragen. Die gemessenen Quantenausbeuten und Leerlaufspannungen waren nahezu identisch im Vergleich zu Referenzzellen auf Basis opaker Goldelektroden. Graphen Elektroden absorbieren weniger als 2,7 % des einfallenden Lichtes und ermöglichen daher eine Perowskit Solarzellen mit einer optischen Transmission von 64,3 % unterhalb der Perowskit Bandlücke. Eine solche Perowskit-Solarzelle war die Voraussetzung für eine Perowskit/Silizium Tandemsolarzelle mit 13,2 % Wirkungsgrad. Dünnschicht Tandemsolarzellen, bestehend aus einer Perowskit und einer strahlenharten CIGS Teilzelle, eignen sich für Weltraumanwendungen, da sie dünn, leicht, flexibel und dennoch hocheffizient sind. Die Fähigkeit der Perowskit-Solarzelle den widrigen Weltraumbedingungen mit hoch-energetischen Protonen zu widerstehen, wurde intensiv untersucht. Hierfür wurden J-V Kennlinien während der Bestrahlung mit 68 MeV Protonen gemessen. Das Perowskit widersteht Protonendosen von 1012 p/cm2, und übersteigt damit die Strahlenhärte von Silizium bei weitem. Bei höheren Dosen von 1013 p/cm2 reduzierten entstandene Defekte den Kurzschlussstrom um 20 %, jedoch begann nach Ende der Bestrahlung ein „Selbstheilungs“ Prozess, der die Zell-Kennwerte wieder etwas verbesserte. Um die Degradierung und die beobachtete Erholung zu erklären wurde ein Mechanismus auf mikroskopischer Ebene eingeführt. Trotz der hohen Strahlenhärte zersetzen sich hybride Perowskite unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Hitze, Sauerstoff und Licht. Obwohl in den letzten Jahren Fortschritte erzielt wurden, erreichen Perowskit Solarzellen kaum Lebenszeiten über 1.000 h. Die Lebensdauer von Silizium Solarzellen übersteigt 50.000 h. Die verschiedenen Degradationsprozesse von Perowskit-Solarzellen wurden auf ihren Einfluss hin untersucht. Am wichtigsten erscheinen licht-induzierte Mechanismen. Beleuchtung verursacht u.a. eine Phasentrennung gemischter Perowskite. Zusätzlich können licht-induzierte Ladungsträger antibindende N-H Orbitale besetzen und folglich die organischen Kationen dissoziieren. Die Mechanismen, ihre Auswirkungen und Strategien dem entgegenzuwirken, wurden diskutiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7261
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6537
Exam Date: 20-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 13-Dec-2017
DDC Class: 537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): perovskite
solar cells
methylammonium lead iodide
stability
tandem solar cell
Perowskit
Solarzelle
Methylammonium-Bleiiodid
Stabilität
Tandemsolarzelle
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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