Compositional engineering of perovskites and charge dynamics studies for solar cells applications

Abstract

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.