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Publicação
Improvement of the light stability of Perovskite Solar Cells with Metal Organic Frameworks
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Orientador(es)
Resumo(s)
Perovskite Solar Cells (PSCs) have been showcased as an eye-catching photovoltaic technology over the past few years, and their development has led to easy-scalable and low-cost processing with earth-abundant raw materials. However, the crystalline structure of the perovskite (PK) material is highly associated with defects, which can be present in the bulk, grain boundaries, and the surface of the film. Defects are considered recombination centres, mainly associated with perovskite processing, facilitating ion migration. This way, when exposed to the light, PSCs can degrade under illumination. Therefore, the development of passivation methods, with specific passivating agents, to counteract defects is the key to the improvement of light stability of PSCs, leading to their future commercialization. Herein, various passivation methods, such as surface treatment, in-film, and bulk treatment, are explored using the Metal-Organic Framework (MOF) UiO-66 at specific concentrations as the base for the current project. UiO-66 presents a unique potential regarding its excellent stability, high surface area, and UV-filtering capability, enhancing perovskite crystallinity. As such, the surface and bulk treatments demonstrate by XRD an area increase of the (011) perovskite plane, i.e., crystallinity. Besides, the bulk treatment PSCs were submitted to an XPS analysis, where the Oxygen element showed that a new chemical environment is present, i.e., an interaction between the UiO-66 and the perovskite, displaying a new chemical bond interaction and a possible decrease of the current defects. Finally, the surface and in-film methods applied in the solar cells with 1.0 g/dm3 UiO-66 enabled the power conversion efficiencies to be maintained at ~ 86% of their initial values after the full aging protocol of 360 h (264 h in an N2-controlled atmosphere glovebox followed by aging at 1 sun for 72 h). This contrasts with the quicker degradation from the control device. This research project represents the promising potential of using perovskite/MOF processes to create efficient and stable PSCs.
As células solares de perovskita têm sido apresentadas como uma tecnologia fotovoltaica apelativa nos últimos anos e o seu desenvolvimento conduziu a um processamento fácil e de baixo custo com matérias-primas abundantes na terra. No entanto, a estrutura cristalina do seu material está altamente associada a defeitos, que podem estar presentes no seu interior, nos limites de grão e na superfície do filme. Os defeitos, principalmente associados ao processamento da perovskita, são considerados centros de recombinação, facilitando a migração iónica e desta forma, quando expostas à luz, as células poderão degradar-se. Assim, o desenvolvimento de métodos de passivação com agentes passivantes específicos, de modo a neutralizar estes defeitos, é a chave para a melhoria da estabilidade à luz das células solares de perovskita, para a sua futura comercialização. Aqui, vários métodos de passivação, tais como tratamento de superfície, em filme e em massa, são explorados, utilizando a estrutura metal-orgânica (MOF) UiO-66 em concentrações específicas. O UiO-66 apresenta um potencial único devido à sua excelente estabilidade, elevada área superficial e capacidade de filtragem de radiação UV, melhorando assim a cristalinidade da perovskita. Assim sendo, o tratamento de superfície e em massa demonstraram através de uma análise de XRD, um aumento de área do plano (001) da perovskita, comprovando assim um aumento da sua cristalinidade. O tratamento em massa demonstrou numa análise XPS ao elemento Oxigénio, que um novo ambiente químico está presente, mais precisamente uma interação entre o UiO-66 e a perovskita, mostrando uma possível diminuição dos defeitos atuais. Finalmente, o tratamento de superfície e em filme nas células desenvolvidas com 1.0 g/dm3 de UiO-66 mostrou reter ~ 86% da sua eficiência original após envelhecimento durante 360 h (264 h numa atmosfera controlada de N2, seguida de 72 h a 1 sol). Este resultado contrasta com a degradação mais rápida observada para o dispositivo de controlo. Esta investigação representa, de facto, um potencial promissor da utilização de processos perovskita/MOF para fabricar células solares de perovskita eficientes e estáveis.
As células solares de perovskita têm sido apresentadas como uma tecnologia fotovoltaica apelativa nos últimos anos e o seu desenvolvimento conduziu a um processamento fácil e de baixo custo com matérias-primas abundantes na terra. No entanto, a estrutura cristalina do seu material está altamente associada a defeitos, que podem estar presentes no seu interior, nos limites de grão e na superfície do filme. Os defeitos, principalmente associados ao processamento da perovskita, são considerados centros de recombinação, facilitando a migração iónica e desta forma, quando expostas à luz, as células poderão degradar-se. Assim, o desenvolvimento de métodos de passivação com agentes passivantes específicos, de modo a neutralizar estes defeitos, é a chave para a melhoria da estabilidade à luz das células solares de perovskita, para a sua futura comercialização. Aqui, vários métodos de passivação, tais como tratamento de superfície, em filme e em massa, são explorados, utilizando a estrutura metal-orgânica (MOF) UiO-66 em concentrações específicas. O UiO-66 apresenta um potencial único devido à sua excelente estabilidade, elevada área superficial e capacidade de filtragem de radiação UV, melhorando assim a cristalinidade da perovskita. Assim sendo, o tratamento de superfície e em massa demonstraram através de uma análise de XRD, um aumento de área do plano (001) da perovskita, comprovando assim um aumento da sua cristalinidade. O tratamento em massa demonstrou numa análise XPS ao elemento Oxigénio, que um novo ambiente químico está presente, mais precisamente uma interação entre o UiO-66 e a perovskita, mostrando uma possível diminuição dos defeitos atuais. Finalmente, o tratamento de superfície e em filme nas células desenvolvidas com 1.0 g/dm3 de UiO-66 mostrou reter ~ 86% da sua eficiência original após envelhecimento durante 360 h (264 h numa atmosfera controlada de N2, seguida de 72 h a 1 sol). Este resultado contrasta com a degradação mais rápida observada para o dispositivo de controlo. Esta investigação representa, de facto, um potencial promissor da utilização de processos perovskita/MOF para fabricar células solares de perovskita eficientes e estáveis.
Descrição
Palavras-chave
Perovskite solar cells Metal-organic frameworks UiO-66 Light stability Defects mitigation