From Dye sensitized to Perovskite-based solar cells: a perspective on the fundamental working mechanisms evolution

Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) have been one of the most promising alternative to Silicon-based photovoltaics in the last 20 years and big efforts have been devoted to the development of new efficient materials and innovative architectures for this class of devices. Spectroscopic tools and characterization techniques have also been developed in the common effort of the scientific community to rationalize the photo-physics behind energy conversion in these devices. Since 2012, however, the field of solution-processed photovoltaic cells is experiencing a second spring due to hybrid halide perovskites appearance. Following pioneering studies in related fields, these eclectic materials showed remarkable photovoltaic performances, rapidly attracting attention both as sensitizers for mesostructured solar cells and as absorbers in p-i-n thin film devices. Their outstanding properties in terms of transport, low recombination rate and potentially easy processability led to very fast development of research activities both on the device implementation and on the characterization sides. A comparative analysis between DSSC and perovskite solar cells (PSC) is presented, aiming at highlight the profound differences in the working mechanisms of these two technologies. Investigation tools originally developed for the study of DSSC are employed for the characterization of PSC and the limit of this approach is reported. The working mechanisms picture retrieved from TCSPC (time correlated single photon counting), cw-PIA (photoinduced absorption), TPV (transient photovoltage) and EA (electroabsorption) analyses is consistent with charges photogenerated within the perovskite film being mainly transported through this matrix with relatively low injection in the mesoporous scaffold. The case of inverted PSC architecture, instead, seems to provide an exception with efficient hole injection in MS Nickel oxide (NiO) scaffold. The function of the oxide scaffold in PSC, however, is found to be crucial in influencing material crystalline order, morphology and important photo-physical properties such as photoluminescence. Experimental characterization of both “old” and “new” photovoltaic technologies is reported, along with some insights on the current debate of the scientific community about selected topics.

Le Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) hanno rappresentato la più promettente alternativa al fotovoltaico basato sul silicio negli ultimi 20 anni e grandi sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di materiali e architetture innovativi al fine di aumentare l’efficienza di conversione per questa classe di dispositivi. Strumenti spettroscopici e tecniche di caratterizzazione sono stati sviluppati nello sforzo comune della comunità scientifica di comprenderne i processi foto fisici di base. Tuttavia dal 2012 una nuova tecnologia, basata sull’uso di Perovskiti organo-metalliche a base di alogenuri, si è imposta nel campo delle celle solari di terza generazione. In seguito a studi pionieristici in altri settori, questi eclettici materiali hanno mostrato notevoli prestazioni fotovoltaiche, attirando in breve tempo l’attenzione sia come sensibilizzatori per celle DSSC sia come assorbitori in dispositivi thin-film. Le loro eccezionali proprietà in termini di trasporto, basso rate di ricombinazione e processabilità hanno consentito uno sviluppo molto rapido della ricerca, dal punto di vista sia dello sviluppo del dispositivo sia dello studio del materiale. In questa tesi è presentato uno studio comparativo tra DSSC e Perovskite Solar Cells (PSC) che mira a evidenziare le profonde differenze nei meccanismi di funzionamento di queste due tecnologie. In particolare vengono messi in luce i limiti dell’estensione alle PSC delle tecniche spettroscopiche originariamente sviluppate per le DSSC. L’analisi è stata svolta combinando diverse metodologie: Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC), Photo-Induced Absorption (cw-PIA), Transient Photo-Voltage (TPV) e Electro-Absorption (EA). I risultati sono compatibili con la descrizione di un funzionamento che, diversamente da quello delle DSSC, non è basato sull’iniezione di carica nell’ossido di titanio mesoporoso, bensì sul trasporto di elettroni all’interno della perovskite stessa. Dalle evidenze sperimentali risulta tuttavia che il substrato mesoporoso riveste un ruolo determinante nell’influenzare importanti proprietà della perovskite: ordine cristallino, morfologia e fotoluminescenza. Oltre ad esempi di caratterizzazione di entrambe le tecnologie (DSSC e PSC), la tesi presenta alcuni approfondimenti sul dibattito della comunità scientifica su argomenti selezionati.