Hybrid Perovskites for Photovoltaic Applications

Abstract

[ES] Las células solares de perovskitas de haluros (HaPSC) se han convertido en uno de los principales candidatos para la producción de dispositivos fotovoltaicos de nueva generación. Sin embargo, su comercialización exige que cumplan estrictos requisitos de rendimiento, seguridad y longevidad. Se sabe que la estabilidad intrínseca de las perovskitas de haluro está estrechamente relacionada con la química de los defectos que se producen en su interior, ya que algún defecto puede participar o iniciar procesos de degradación. Además, algunos de los defectos más comunes en estos sistemas crean estados de trampa poco profundos y electrónicamente activos, que pueden influir en procesos clave como el transporte y recombinación de cargas, lo que los convierte en fundamentales para determinar el rendimiento de los dispositivos.

La ingeniería de disolventes ha cobrado importancia como técnica para controlar la cristalización de películas delgadas de haluros de perovskita, lo que ha dado lugar a mejoras experimentalmente observables en la calidad y estabilidad de los cristales, así como a reducciones significativas en las densidades de defectos. A pesar de los importantes esfuerzos realizados recientemente para desarrollar las HaPSC, el rendimiento y la estabilidad de las composiciones con bandas prohibidas anchas han quedado rezagados con respecto a las composiciones para los dispositivos de unión única. El objetivo de esta tesis es abordar este problema desarrollando técnicas experimentales para mejorar las perovskitas inorgánicas de haluros mixtos.

Aunque la ingeniería de disolventes puede introducir, reducir o pasivar defectos electrónicamente activos (dopantes) en las perovskitas de haluro, se han realizado relativamente pocas investigaciones sobre los procesos físicos que se producen en los sistemas dopados. Además, las químicas activas de estos sistemas, que aún se están investigando, pueden dar lugar a comportamientos transitorios o a la activación de procesos complejos, lo que complica los esfuerzos experimentales. En esta tesis, estos problemas se superan empleando simulaciones por ordenador para investigar el origen y los factores que dan lugar a niveles óptimos de dopaje en las HaPSCs.

Esta tesis doctoral se compone de tres artículos que han sido publicados en revistas indexadas. Dos de ellos desarrollan técnicas experimentales para controlar la cristalización de la película y la estabilidad de las perovskitas de bandas prohibidas anchas. El tercer artículo investiga el papel que desempeñan los dopantes electrónicos en el rendimiento de los dispositivos y cómo pueden aprovecharse para producir HaPSC superiores. En conjunto, estos resultados aportan nuevos conocimientos y técnicas a los experimentadores que trabajan con dispositivos de alto rendimiento.

[CA] Les cèl·lules solars de perovskita d'halur (HaPSC) s'han convertit en un dels principals candidats per a la producció de dispositius fotovoltaics de nova generació. Tanmateix, la seua comercialització requereix que compleixen exigències estrictes en termes de rendiment, seguretat i longevitat. Se sap que l'estabilitat intrínseca de les perovskites d'halur està estretament relacionada amb les químiques de defectes que es produeixen dins d'elles, ja que algun defecte pot participar o iniciar processos de degradació. A m¿es, alguns defectes predominants en aquests sistemes creen estats de trampa poc profunds i electrònicament actius, que poden influir en processos clau com el transport i la recombinació de càrregues, fent-los clau per determinar el rendiment dels dispositius.

L'enginyeria de dissolvents ha guanyat rellevància com a tècnica per controlar la cristal·lització de pel·lícules primes de perovskita d'halur, donant lloc a millores experimentalment observables en la qualitat i l'estabilitat dels cristalls, així com a reduccions significatives de la densitat de defectes. Malgrat els esforços recents substancials per desenvolupar les HaPSC, el rendiment i l'estabilitat de les composicions de bandes prohibides amples s'han quedat per darrere de les adequades per a dispositius d'unió única. L'objectiu d'aquesta tesi és abordar aquest problema mitjançant el desenvolupament de tècniques experimentals per millorar les perovskites inorgàniques d'halur mixtos.

Tot i que l'enginyeria de dissolvents pot introduir, reduir o passivar defectes electrònicament actius (dopants) en perovskites d'halur, hi ha hagut relativament poques investigacions sobre els processos físics que es produeixen en sistemes dopats. A més, les químiques actives d'aquests sistemes, que encara s'estan investigant, poden donar lloc a comportaments transitoris o a l'activació de processos complexos, cosa que complica els esforços experimentals. En aquesta tesi, aquests problemes es superen mitjançant l'ús de simulacions per ordinador per investigar l'origen i els factors que donen lloc a nivells òptims de dopatge en les HaPSC.

Aquesta tesi doctoral està formada per tres articles que s'han publicat en revistes indexades. Dos d'aquests desenvolupen tècniques experimentals per controlar la cristal·lització de la pel·lícula i l'estabilitat de les perovskites de bandes prohibides amples. El tercer article investiga el paper que tenen els dopants electrònics a l'hora de determinar el rendiment dels dispositius i com es poden aprofitar per produir HaPSC superiors. En conjunt, aquests resultats generen noves idees i proporcionen tècniques per als experimentadors que treballen amb dispositius d'alt rendiment.

[EN] Halide perovskite solar cells (HaPSCs) have become one of the leading candidates for the production of next generation photovoltaic devices. However, commercialisation requires them to meet stringent demands in terms of performance, safety and longevity. The intrinsic stability of halide perovskites is known to be closely related to defect chemistries occurring within them since some defects can participate in, or initiate, degradation processes. Moreover, some common defects in these systems create electronically active shallow trap states, which can influence key processes such as charge transport and recombination - making them key in determining device performance.

Solvent engineering has gained relevance as a technique for controlling the crystallisation of halide perovskite thin films, leading to experimentally observable improvements in crystal quality and stability as well as meaningful reductions in defect densities. Despite substantial recent efforts into developing HaPSCs, the performance and stability of wide-bandgap compositions has lagged behind those suitable for single-junction devices. The aim of this thesis is to address this problem by developing experimental techniques for improving mix-halide inorganic perovskites.

Although solvent engineering can introduce, reduce or passivate electronically active defects (dopants) in halide perovskites, there have been relatively few investigations into the physics occurring in doped systems. Moreover, the active chemistries in these systems, which are still under investigation, can result in transient behaviours or the activation of complex processes - complicating experimental efforts. In this thesis, these problems are overcome by employing computer simulations to investigate the origin and factors giving rise to optimal doping levels in HaPSCs.

This doctoral thesis is made up of three articles which have been published in indexed journals. Two of these develop experimental techniques for controlling the film crystallisation and stability of wide-bandgap perovskites. The third article investigates the role of electronic dopants in determining device performance, and how they may be harnessed to produce superior HaPSCs. Together, these results generate new insights and provide techniques for experimentalists working with high performance devices.