Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4063
Authors: Li, Dan
Title: Crystallization and degradation studies in organic and perovskite solar materials
Online publication date: 23-Jun-2016
Year of first publication: 2016
Language: english
Abstract: Organische Solarzellen gelten als vielversprechende Alternativen zu den herkömmlichen Silizium-Solarzellen, hauptsächlich da sie durch lösungbasierte Dünnschichttechnologie hergestellt werden. Diese Technologie ermöglicht eine kostengünstige und großflächige Produktion von flexiblen organischen Solarzellen durch das Rolle-zu-Rolle-Verfahren. In umfangreichen wissenschaftlichen Studien werden neue organische Materialien zur Lichtabsorption synthetisiert und neue Herstellungsverfahren untersucht, die die Leistung der Solarzellen weiter verbessern. Um die organischen Solarzellen effizient zu nutzen, ist wichtig, die Stabilität und Abbaumechanismus der organischen Materialien zu verstehen. Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf den photooxidativen Abbau von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM). PCBM wird in vielen bulk heterojunction Solarzellen als Elektronenakzeptor genutzt. Darüber hinaus ist PCBM ideal um in Perowskit- Photovoltaik hysteretische Effekte an den Grenzflächen zu minimieren. Die kurze Lebensdauer und geringe Stabilität von PCBM haltigen Solarzellen stellt jedoch ein Hindernis für deren Vermarktung dar. Die Messungen in meiner Arbeit zeigen, dass die Photooxidation in Gegenwart von Sauerstoff eine wichtige Rolle beim Abbau von PCBM spielt, der zu einem Ausfall der Geräte führen. Seit 2009 zählen auch Perowskit Solarzellen zu den vielversprechenden lösungsbasierten Technologien. Vor kurzem überschritten Methylammoniumbleihalogenid (CH3NH3PbX3) basierte Perowskit Solarzellen eine Leistungsumwandlungseffizienz von 20%. Zur gleichen Zeit, ziehen Kristallisation und Stabilitätsprobleme immer mehr Aufmerksamkeit auf sich. Insbesondere Wassermoleküle (hohe feuchte Umgebung) spielen in der Zersetzung von Perowskit- Filme eine wichtige Rolle. Der Abbaumechanismus von CH3NH3PbX3 in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit wird weiterhin untersucht. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit den Kristallisations- und Abbauprozessen von CH3NH3PbI3 Filmen. Hier beobachtete ich das Filmwachstum und den Kristallisationsprozess von Perowskit unter Einsatzumgebung mit in-situ Rasterkraftmikroskopie. Darüber hinaus untersuchte ich die Morphologie-Entwicklung von Perowskit-Filmen in feuchter Umgebung durch in-situ Rasterkraftmikroskopie und in-situ-Röntgendiffraktometrie, um den lokalen Morphologie-, sowie den Kristallstruktur-Änderungen im Detail folgen zu können. Basierend auf diesen Messungen konnte ich feststellen, dass die durch Feuchtigkeit induzierten Morphologie-Änderungen nicht umkehrbar sind, da die in Feuchtigkeit entstandenen Korngrenzen in trockener Atmosphäre nicht verschwanden. Die zusätzlichen Korngrenzen könnten der Grund für die Verstärkung der JV-Hysterese sein, die Leguy et al in ihrer Studie festgestellt hatten (Chem. Mater. 2015, 27, 3397-3407). Diese Interpretation ist konsistent mit dem Befund, daß eine Abnahme der Kristallgröße zu einer zunehmende Hysterese führt. Zusätzlich könnte ich durch meine Ergebnisse das Abbau-Modell von Leguy und Mitarbeitern verfeinern (Chem. Mater. 2015, 27, 3397-3407). Alle oben genannten Studien geben uns ein besseres Verständnis für die Abbauprozesse von organischen und Perowskit-Materialien in schädlichen Umgebungen. Eine zusätzliche Einkapselung oder Passivierungsschicht auf organischer und Perowskit- Materialien ist daher nötig, um die aktiven Schichten vor einer schädlichen Atmosphäre zu schützen, was für die Gerätestabilität und elektrischen Parameter sehr vorteilhaft ist.
Organic solar cells are considered as promising alternatives to replace traditional silicon solar cells, which is mainly due to the possibility of solution-processed thin-film technology. This technology allows low-cost but large-scale production of flexible organic solar cells using roll-to-roll processes. Extensive academic research has being carried out to synthetic more new light-absorption organic materials and new preparation procedures to improve device performance. In order to fully utilize the organic solar cells, it is very important to understand the stability and degradation mechanism of the organic materials. The first part of the thesis focuses on the photo-oxidative degradation of [6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) material. As electron acceptor material, PCBM has been widely utilized in bulk-heterojunction photovoltaics. Additionally, PCBM also can be an ideal material in perovskite photovoltaics to minimize hysteretic effects at interfaces. However, the short lifetime and poor stability of PCBM-containing photovoltaic devices may present an obstacle for their commercialization. In my thesis, the measurements show that photo-oxidation in the presence of oxygen plays a significant role in degradation of PCBM which will lead to a failure of devices. Additionally, perovksite solar cells are booming up since 2009 as promising technology which allows solution processing. The recently reported record power conversion efficiency in methylammonium lead halide (CH3NH3PbX3) based perovskite solar cells has exceeded 20%. At the same time, the crystallization and stability issues are attracting more and more attentions. In particular, the water molecules (high humid environment) play a role in the degradation of perovskite films. However, the degradation mechanism under high humid environment is currently still under investigation. The second part of the thesis deals with the crystallization and degradation processes of CH3NH3PbI3 films. Here, I studied the film growth and crystallization process of perovskite under insert environment using in-situ scanning force microscopy. Furthermore, I investigated the morphology evolutions of perovskite films upon humid environments by in-situ scanning force microscopy and in-situ X-ray diffraction pattern, which allow locally tracing the morphology and crystal structure changes in detail. Based on the measurements, I could conclude that the humidity-induced morphology was not reversible and humidity-induced grain boundaries did not disappear at dry atmosphere. The presence of these grain boundaries is most likely the reason for an increase in JV hysteresis that was measured by Leguy et al. This interpretation is consistent with the finding that a decrease in crystal size leads to an increasing hysteresis. In the end, I was able to refine the degradation model posted recently by Leguy and co-workers (Chem. Mater. 2015, 27, 3397-3407). All the above studies give us a better understanding of the degradation processes of organic/perovskite materials under detrimental environments. Therefore, a sufficient encapsulation or passivation layer on top of organic/perovskite materials is able to keep the active layers away from detrimental atmospheres, which can be very beneficial for device stability and electrical parameters.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4063
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005384
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 113 Seiten
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