Compositional engineering of perovskites and charge dynamics studies for solar cells applications
Metadata
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Salado Manzorro, ManuelPalabras clave
FotoelectricidadFotoquímica
Celdas solares
Perovskitas
Publication date
2017Fecha de lectura
2017-10-30Abstract
Esta memoria recoge un extenso estudio sobre las celdas solares de
perovskita (CSP). Después de un período de investigación de aproximadamente
60 años, la tecnología utilizando perovskitas híbridas metal-orgánicas
ha revolucionado el campo de la fotovoltaica tras alcanzar eficiencias por
encima del 22% debido principalmente a sus excelentes propiedades optoelectrónicas
y a un proceso de fabricación de bajo coste. Los dispositivos
fotovoltaicos de perovskita se componen generalmente de varias capas, por
lo que, para la obtención de altas eficiencias es necesario optimizar no solo
los distintos materiales que componen cada capa sino también su espesor.
Además, este material permite la modificación de sus propiedades cuando
se incorpora o intercambian tanto los cationes orgánicos como los iones
haluro. Una variación en la composición química puede resultar en un
incremento de absorción y en las propiedades ópticas de la perovskita. Sin
embargo, una de las principales desv ...
Esta memoria recoge un extenso estudio sobre las celdas solares de
perovskita (CSP). Después de un período de investigación de aproximadamente
60 años, la tecnología utilizando perovskitas híbridas metal-orgánicas
ha revolucionado el campo de la fotovoltaica tras alcanzar eficiencias por
encima del 22% debido principalmente a sus excelentes propiedades optoelectrónicas
y a un proceso de fabricación de bajo coste. Los dispositivos
fotovoltaicos de perovskita se componen generalmente de varias capas, por
lo que, para la obtención de altas eficiencias es necesario optimizar no solo
los distintos materiales que componen cada capa sino también su espesor.
Además, este material permite la modificación de sus propiedades cuando
se incorpora o intercambian tanto los cationes orgánicos como los iones
haluro. Una variación en la composición química puede resultar en un
incremento de absorción y en las propiedades ópticas de la perovskita. Sin
embargo, una de las principales desventajas que presenta este material
es su degradación en condiciones ambientales, que se puede ver acelerada
cuando además de la humedad, está expuesto a altas temperaturas o alta
iluminación. En este contexto general, el primer capítulo de esta memoria
se focaliza en el estudio de las capas adicionales para la extracción de cargas.
Aunque el material de perovskita presenta un carácter ambipolar, (la
capacidad de transportar tanto huecos como electrones), generalmente se
utilizan capas adicionales transportadoras de huecos y electrones respectivamente
que favorecen la extracción de cargas disminuyendo así la recombinación.
En esta memoria, se investigaron varios materiales transportadores
de huecos, desde polímeros semiconductores a pequeñas moléculas
orgánicas y se examinó cómo afectan los distintos niveles energéticos, las
propiedades transportadoras de carga, el contacto entre interfaces y su
degradación. Por otro lado, el material comúnmente utilizado para la extracción
de electrones consiste en nanopartículas de TiO2 depositadas por
técnicas en disolución (spin-coating). Con el objetivo de obtener una deposición
homogénea y controlada, en este trabajo se utilizó la técnica de deposición
física en fase vapor (PVD-OAD), Con esta técnica es posible variar
el ángulo de incidencia para depositar nanocolumnas verticales 1D. Éstas
estructuras 1D resultaron incrementar no solo la extracción de carga (y así
la eficiencia) sino también la estabilidad frente a la estructura mesoporosa
3D. En el segundo capítulo, se realizó un estudio de la estabilidad de las
fases, la morfología de la capa de perovskita, la histéresis, y el rendimiento
general de los dispositivos en función de la composición química de la perovskita.
Además, el empleo de la técnica de deposición de un solo paso
con la adición de un disolvente apolar conlleva una mejora en la estructura
cristalina de la perovskita. Ello disminuye las fronteras de grano y la
recombinación lo cual mejora de manera notable la eficiencia de los dispositivos.
El objetivo final de esta tesis es la fabricación de celdas solares de perovskitas
eficientes y estables, así como la comprensión de su funcionamiento
a nivel fundamental. Por este motivo en el tercer capítulo se realizó un
estudio del impacto de la degradación en los dispositivos. Para ello, las
muestras con diferentes composiciones químicas de perovskita y diferentes
materiales transportadores de huecos se expusieron a altos porcentajes de
humedad y se estudiaron sus modificaciones tanto morfológicas como su
variación en la dinámica de cargas. Se concluyó que aunque los materiales
poliméricos presentan una mayor resistencia a la degradación por
humedad, la acumulación de carga en la interfaz HTM/perovskita, puede
generar una degradación más rápida. Además, como posible solución para
evitar la degradación del material de perovskita, en el cuarto y último capítulo
se introdujo como dopante un líquido iónico prefluorinado que posee un
carácter hidrofóbico. Tras la adición y optimización de este dopante, se consiguieron
capas de perovskita que eran estables más de 100 días cuando se
expusieron a altos índices de humedad.
Descripción
Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología Química
Línea de Investigación: Cinética Química, Fotofísica y Fotoquímica
Clave Programa: DBI
Código Línea: 12
Collections
- Tesis Doctorales [930]