Extending the operational stability of inverted Perovskite solar cells with a novel, low synthetic complexity humidity-tolerant Hole Transport Layer.

Abstract

Organic conjugated polymers are a family of materials that are widely used as Hole Transport Layers Hole Transport Layer (HTL) in Perovskite solar cells Perovskite solar cells (PSCs). Specifically, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) is a widely used conjugated polymer in inverted PSCs, that suffers from poor stability. In this thesis, the operating lifetime of inverted PSCs is extended to almost 900h by employing for the first time the hydrophobic conjugated polymer Indacenodithiophene thiadiazolequinoxaline (PIDTTDQ). The performance of the optimized PIDTTDQ device reaches a maximum Power Conversion Efficiency (PCE) of 14.70%, while the corresponding one for the reference device with PEDOT: PSS is 12.16%. The enhanced PCE is due to better band alignment as well as improved HTL/Perovskite interface confirmed by Transient measurements. Time Resolved Photoluminescence (TRPL) measurements have also revealed the suppression of non-radiative recombination compared to PEDOT: PSS, which can be attributed to the reduced number of defects. The hydrophobic nature of PIDTTDQ improved the lifetime of inverted PSCs when compared to the reference device and to Polybis(4-phenyl)(2,4,6- trimethylphenyl)amine (PTAA), the most efficient HTL in inverted devices. The low cost of this material makes it a potential candidate for large area devices.

Τα οργανικά συζυγιακά πολυμερή είναι μια κατηγορία υλικών η οποία χρησιμοποιείται ευρέως ως Στρώμα Μεταφοράς Οπών σε περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά κελιά. Συγκεκριμένα, το Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) είναι ένα ευρέως χρησιμοποιημένο συζυγιακό πολυμερές σε περοβσκιτικά φωτοβολταϊκά κελιά ανεστραμμένης γεωμετρίας, το οποίο υποφέρει από μεγάλη αστάθεια. Σε αυτή την εργασία, ο χρόνος ζωής των φωτοβολταϊκών κελιών επεκτάθηκε σε σχεδόν 900 ώρες χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά το υδρόφοβο συζυγιακό πολυμερές Indacenodithiophene Thiadiazolequinoxaline (PIDTTDQ). Η απόδοση των βελτιστοποιημένων φωτοβολταϊκών διατάξεων με το PIDTTDQ έφτασε τη μέγιστη τιμή του 14.70%, ενώ η αντίστοιχη για τις διατάξεις με PEDOT:PSS ήταν 12.16%. Η αύξηση στην απόδοση οφείλεται στη καλύτερη ευθυγράμμιση των ενεργειακών επιπέδων καθώς και στην βελτίωση της διεπιφάνειας ανάμεσα στο στρώμα μεταφοράς οπών και στο ενεργό στρώμα περοβσκίτη, κάτι που επιβεβαιώθηκε με χρονομεταβαλλόμενους οπτοηλεκτρονικούς χαρακτηρισμούς. Οι μετρήσεις χρονομεταβαλλόμενης φωτοφωτάυγειας έδειξαν μείωση στα επίπεδα μη ακτινοβολιτικής επανασύνδεσης σε σχέση με το PEDOT:PSS, το οποίο μπορεί να αποδοθεί στη μειωση των ατελειών στη διεπιφάνεια ή/και iii στο ενεργό στρώμα. Η υδρόφοβη φύση του PIDTTDQ παράτεινε τον χρόνο ζωής των φωτοβολταϊκών κελιών σε σχέση με τη διάταξη αναφοράς με το PEDOT:PSS αλλά και σε σύγκριση με το Polybis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), το πιο αποτελεσματικό στρώμα μεταφοράς οπών σε ανεστραμμένη δομή. Το χαμηλό κόστος του υλικού αυτού το καθιστά υποψήφιο για κατασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων μεγαλύτερης επιφάνειας.