Influence of processing conditions on the performance of perovskite solar cells

Direct conversion of solar radiation into electricity is a renewable, abundant and clean method for producing energy. Organic-inorganic metal halide perovskites have attained great attention in developing efficient and cost-effective solar cells. They show many ideal properties such as high carrier mobility, large absorption coefficient, an appropriate and tunable band gap and they can be manufactured at low costs. Moreover, contrary to organic materials they have shown non-excitonic behavior. Development of perovskite solar cells has been fastest among all cell types exceeding 20% efficiency in first 6 years. However, there are several factors complicating their commercialization including device stability, hysteresis and environmental impacts from lead. In this thesis, solar cells and cell parameters are introduced. Common surface preparation and thin-film deposition techniques are also described. Since deposition conditions essentially influence the perovskite film properties and device efficiency, they are discussed more extendedly. Finally, experiments concerning the effect of solution based processing method on an ITO/PEDOT:PSS/perovskite/PCBM/Ca/Al device performance are reported. Perovskite films were prepared mainly via two-step spin coating from PbI2 and CH₃NH₃I precursors and cells reached power conversion efficiency of 3.81%. In addition to perovskite solar cells, the content of this thesis can be applied also for other perovskite based applications such as transistors, photodetectors, light emitting diodes and lasers.Auringon säteilyn muuttaminen sähköksi on uusiutuva, riittoisa ja puhdas energiantuotantomenetelmä. Orgaanisen ja epäorgaanisen materiaalin yhdistävät metalli-halidiperovskiitit ovat osoittautuneet potentiaalisiksi materiaaleiksi tehokkaiden ja edullisten aurinkokennojen kehittämisessä. Perovskiittien moniin ideaalisiin ominaisuuksiin kuuluvat esimerkiksi varauksenkuljettajien suuri liikkuvuus, korkea absorptiokerroin, sovelias ja muokattavissa oleva energiarako sekä soveltuvuus edullisiin valmistusmenetelmiin. Niillä on myös havaittu epäeksitonisia piirteitä orgaanisista materiaaleista poiketen. Perovskiittikennojen kehitys on ollut nopeinta muihin kennotyyppeihin verrattuna ylittäen 20%:n tehokkuuden kuuden ensimmäisen kehitysvuoden aikana. Niiden kaupallistamista haittaavat kuitenkin vielä muutamat asiat, kuten stabiilisuus, hystereesi ja lyijypitoisuuden vaikutus ympäristöön. Tässä tutkielmassa esitellään aurinkokennot ja niissä käytettävät parametrit. Lisäksi tarkastellaan yleisiä pinnan valmistelu- ja ohutkalvojen valmistusmenetelmiä. Pinnoitusolosuhteet vaikuttavat oleellisesti perovskiittikalvojen ominaisuuksiin ja kennojen tehokkuuteen, joten niitä tarkastellaan laajemmin. Lopuksi esitetään kokeelliset tulokset liuospohjaisen valmistusmenetelmän vaikutuksesta ITO/PEDOT:PSS/perovskiitti/PCBM/Ca/Al-kennojen suorituskykyyn. Perovskiittikerrokset valmistettiin pääosin kaksivaiheisella substraatin pyörittämiseen perustuvalla menetelmällä PbI2- ja CH₃NH₃I-yhdisteistä, ja kennojen suurin saavutettu hyötysuhde oli 3,81%. Perovskiittikennojen lisäksi tämän tutkielman sisältöä voidaan soveltaa myös muihin perovskiittipohjaisiin sovelluksiin, kuten transistoreihin, valodetektoreihin, valoa emittoiviin diodeihin ja lasereihin