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Perowskitsolarzellen - Entwicklung und Charakterisierung

Wittich, Carolin (2019):
Perowskitsolarzellen - Entwicklung und Charakterisierung.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Perowskitsolarzellen - Entwicklung und Charakterisierung
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Perowskitschichten mit PVD für die Verwendung in Perowskitsolarzellen sowie die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften der Grenzflächen dieser Perowskitschicht zu ETL und HTL. Dabei wurden verschiedene Depositionsprozesse untersucht: Die sequentielle Deposition von Bleisalz und MAI und die Coevaporation beider Ausgangsmaterialien.

Bei der Coevaporation von PbI2 und MAI wurde der Einfluss des Partialdrucks von MAI auf die resultierende Adsorbatschicht analysiert. Dabei zeigte sich bei einer höheren Verfügbarkeit von MAI die verstärkte Bildung von MAPbI3.

Bei der sequentiellen Deposition wurde im zweiten Schritt die Depositionsparameter Rate, Substrattemperatur, Depositionszeit und Hintergrunddruck variiert und deren Einfluss auf die resultierende Adsorbatschicht analysiert. Dabei wurde der zugrundeliegende komplexe Reaktionsmechanismus diskutiert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass zunehmender Hintergrunddruck, höhere Substrattemperaturen, eine abnehmende MAI-Depositionsrate sowie eine kürzere MAI-Depositionszeit zu einer dünneren Adsorbatschicht führen. Dieses Ergebnis lässt sich darauf zurückführen, dass in diesen Fällen die Verfügbarkeit von MAI für die Reaktion mit der präreaktiven Basisschicht abnimmt. Bei der Verwendung von PbCl2 als Basisschicht konnten neben der gewünschten MAPbI3-Phase einige Nebenphasen (u.a. MAPbCl3) identifiziert werden. Darüber hinaus wurde mit EDX die Verteilung der verschiedenen Phasen über den Querschnitt der Adsorbatschichten untersucht. MAPbCl3 ist aus thermodynamischer Sicht gegenüber MAPbI3 die stabilere und daher bevorzugte Perowskitphase und konnte daher in den meisten Adsorbatschichten insbesondere im unteren Bereich der Schicht nachgewiesen werden. Bei optimalen Depositionsbedingungen ist die Verfügbarkeit von MAI-Gas für die Reaktion so hoch, dass sich das Gleichgewicht der Reaktionen zugunsten der Bildung von MAPbI3 verschiebt. Daher ist MAPbI3 eher im oberen Bereich der Adsorbatschichten auffindbar.

Da die Effizienz für beide Depositionsmethoden nicht zufriedenstellend war, wurde der Frontkontakt mit C60 erweitert. Auf diese Weise konnte ein Spitzenwert in der Effizienz der Solarzelle von 10,79% erreicht werden.

Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Analyse der elektronischen Eigenschaften an den Grenzflächen zum Perowskitabsorber. Der O2-Plasma Reinigungsschritt, dem die TiO2-Substrate im DAISY-Sol vor der weiteren Bearbeitung unterzogen werden, induziert eine Bandverbiegung an der Oberfläche des TiO2. Die TiO2/MAPbI3-Grenzfläche bietet dennoch eine große Barriere im Valenzband gegen das Eindringen von Löchern in die ETL, während der Transport von Elektronen weitestgehend ungestört stattfinden kann. An der MAPbI3/spiro-MeOTAD-Grenzfläche werden Elektronen am großen Leitungsbandoffset am Eindringen in die HTL gehindert, während Löcher im Valenzband ins spiro-MeOTAD beschleunigt werden. Im spiro-MeOTAD ist eine ausgedehnte Raumladungszone zu finden. Da die Raumladungszone an der TiO2/MAPbI3-Grenzfläche vergleichsweise sehr klein ausfällt, findet die Ladungstrennung in der Solarzelle hauptsächlich in der HTL statt und diese bestimmt die elektronischen Eigenschaften der Solarzelle maßgeblich.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of the work was the development and characterisation of perovskite layers produced in PVD processes for the usage in perovskite solar cells. Furthermore, the electronic characteristics of the interfaces between the perovskite absorber layer and the ETL and HTL were determined. In this work, two different deposition processes were used: The sequential deposition of lead salts and MAI as well as the coevaporation of both starting materials. For the coevaporation of PbI2 and MAI, the impact of the partial pressure of MAI on the resulting adsorbate layer was analysed. The result was an increased MAPbI3-formation for a higher availabilty of MAI. In the sequential deposition, the deposition parameters deposition rate, substrate temperature, deposition time and background pressure were varied in the second step during MAI deposition and the impact on the resulting adsorbate layer was analysed. Here, the complex reaction mechanism was discussed. The results show clearly the formation of a thinner adsorbate layer with increased background pressure, higher substrate temperature, slower MAI deposition rate and shorter MAI deposition time. In all these cases the availability of MAI for the reaction with the base layer is reduced. For PbCl2 as base layer material, several other phases could be identified (e.g. MAPbCl3). With EDS, the distribution of the different phases over the cross section of the adsorbate layer was analysed. Thermodynamically, MAPbCl3 is more stable than MAPbI3 and, thus, its formation is preferred and it is found in the lower parts of the adsorbate layer. With optimal deposition conditions the equilibrium of the reactions shifts towards the MAPbI3 formation, which is more often found in the upper part of the adsorbate layer. Since the efficiency of solar cells from both deposition methods was not satisfactory, the front contact was extended with a C60 buffer layer. This lead to a champion efficiency of 10,97%. The second goal of this work was the analysis of the electronic properties of the interfaces towards the perovskite absorber layer. The O2-plasma cleaning step of the TiO2 substrates in the DAISY-Sol before further processing induces a band bending at the surface of TiO2. Despite of that, the TiO2/MAPbI3 interface shows a high barrier for holes in the valence band and a basically unhindered transport of electrons into the ETL. At the MAPbI3/spiro-MeOTAD interface electrons find a high conduction band offset that keeps them from entering the HTL while holes are accelerated into the spiro-MeOTAD. In spiro-MeOTAD a wide depletion zone can be found. Since the depletion zone at the TiO2/MAPbI3 interface seems to be very small, most of the charge separation occurs in the HTL. Thus, the HTL has a great impact on the electronic properties of the solar cell.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geo-Material-Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 11 Sep 2019 13:15
Last Modified: 11 Sep 2019 13:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90011
Referees: Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim and Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Refereed: 23 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9001
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