Vismuttipohjaiset perovskiittijohdannaiset puolijohteet aurinkokennoteknologiassa

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin Hybrid Solar Cells -tutkimusryhmässä, joka on osa kemian ja uusien materiaalien tutkimusalaa Tampereen yliopistossa. Ryhmän tavoitteena on kehittää orgaanisia ja epäorgaanisia puolijohteita uuden sukupolven fotoenergiamuuntimiin. Tutkimus on keskittynyt halidiperovskiitteihin ja lyijyttömiin perovskiittijohdannaisiin materiaaleihin.

Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia vismuttipohjaisia perovskiittijohdannaisia puolijohdemateriaaleja ja löytää vaihtoehtoja lyijypohjaisille materiaaleille perovskiittiaurinkokennoissa. Työn tarkoituksena oli valmistaa aurinkokenno käyttäen pohjana Cs3Bi2I9-puolijohdemateriaalia sekä analysoida sen ominaisuuksia.

Työssä valmistettiin aurinkokennoja kahdella eri vismuttipohjaisella puolijohdemateriaalilla, jotka olivat Cs3Bi2I9 sekä Cs3Bi2I6Br3. Materiaaleista pinnoitettiin näytteitä eri karakterisointimenetelmiä varten. Näytteiden kiderakennetta tutkittiin XRD-laitteella, ja kalvoista otettiin elektronimikroskooppikuvia morfologian tarkastelemiseksi. Materiaaleista valmistettiin erirakenteisia ja -paksuisia aurinkokennoja sopivan yhdistelmän löytämiseksi.

Parhaalle aurinkokennolle saatiin hyötysuhteeksi 0,21 %, kun puolijohdemateriaalina käytettiin Cs3Bi2I9-perovskiittijohdannaista. Hankaluuksia työssä aiheutti perovskiittijohdannaisen kerroksen paksuus ja peittävyys. Vaikka kiteiden morfologia näytti hyvältä, peittävyys ei ollut täydellistä, mikä johti varaustenkantajien menetykseen. XRD-analyysin perusteella Cs3Bi2I6Br3-materiaali oli kiteisempää ja laadukkaampaa verrattuna bromittomaan materiaaliin, mutta se ei kuitenkaan toiminut paremmin aurinkokennossa. Peittävyyden, tasaisuuden ja paksuuden osalta optimoidun perovskiittijohdannaisen kerroksen saavuttaminen vaatii vielä tutkimustyötä. Tämä työ toimii hyvänä pohjana jatkotutkimuksille, sillä se auttaa ymmärtämään paremmin perovskiittijohdannaisten puolijohdemateriaalien käyttäytymistä.

This thesis was conducted in Hybrid Solar Cells research group, which is a part of the Chemistry and Advanced Materials research environment in Tampere University. The group is focusing on the development of solution-processable organic and inorganic semiconductors for next-generation photovoltaics, especially halide perovskites and perovskite-inspired materials.

The purpose of this thesis is to study bismuth-based perovskite-inspired semi-conductors and find alternatives to lead-based materials in perovskite solar cells. Moreover, the objective of the work was to fabricate solar cells using Cs3Bi2I9 perovskite-inspired material and analyze its performance.

Solar cells with two different eco-friendly and air-stable semiconducting materials, Cs3Bi2I9 and Cs3Bi2I6Br3 were fabricated. Thin film samples of the materials were spin coated for further characterization. Crystallinity of the samples was analyzed by X-ray diffraction, and their morphology was examined by scanning electron microscopy. Solar cells with different layer thicknesses and structures were fabricated, and their performance was measured under simulated solar light.

The highest solar cell efficiency of 0,21 % was reached using Cs3Bi2I9 as the active layer. Optimizing the perovskite-inspired material layer thickness and coverage turned out to be a challenging task. Despite the good morphology, the coverage was poor leading to charge carrier losses and poor efficiency. According to the XRD-analysis, the Cs3Bi2I6Br3 material had a higher crystallinity, but failed to perform better in a solar cell. More research is needed to optimize the perovskite-inspired layer thickness, coverage and roughness. However, this work is a step towards understanding the behavior of bismuth-based perovskite-inspired materials.