A feasibility study into implementation of nanoporous ZnO as the photoanode in perovskite based solar cell

Perovskite based solar cells (PerovCells) have become one of the hot topics within the renewable energies field during last five years. PerovCell offers a combination of promising advantages including but not limited to ease of fabrication, strong solar absorption and low non-radiative carrier recombination rates in addition to relatively high power conversion efficiencies (PCE). However, the material selection for different layers, optimal cell design and fabrication methods for such a novel solar cell are all still under vast research and study for successful development and commercialization of PerovCells in the near future. In this project, a systematic study of pulsed laser deposition (PLD) fabricated hierarchical ZnO photoanode was carried out to shed light on the novel candidate PerovCell fabrication protocol. PLD parameters including deposition duration and background oxygen pressure were optimized to attain the favorable ZnO film thickness and degree of porosity, respectively. We demonstrated that 10 and 300Pa oxygen pressures are suitable to make the desirable compact and nanoporous ZnO films, respectively. Perovskite solution was subsequently spin coated on ZnO films and annealed at 100°C for various durations. Our findings suggested a significantly short annealing time (about 15±5 seconds) is already sufficient to form the perovskite film. Morphology and structure of perovskite and ZnO films were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy, while photoluminescence and absorption spectra were employed to uncover optical properties of perovskite sensitized ZnO substrates. The devices were fabricated according to the obtained optimized conditions adopting the state-of-the-art PerovCell oriented stack of layers; the efficiency and performance of the devices were evaluated by means of solar simulator. Finally, we related the cell operation to the fundamental properties of the constituent materials.

Nel campo delle celle solari di nuova generazione, le celle solari basate sull’utilizzo delle perovskiti come materiale attivo (PerovCells) si sono rivelate come una tra le più promettenti tecnologie emergenti. Il motivo principale è legato al loro straordinario sviluppo in termini di efficienza negli ultimi 5 anni. Inoltre, le PerovCells sembrano poter garantire facili processi di fabbricazione, con conseguenti bassi costi associati. Le ragioni legate alle loro performance superiori sono legate ad un elevato assorbimento nello spettro solare, un basso tasso di ricombinazione delle cariche generate e ad un’ottima efficienza di conversione energetica in termini di potenza. Nonostante tutto, trattandosi di una nuova tecnologia emergente, la scelta dei diversi materiali costituenti la cella solare e l’ottimizzazione dei processi di produzione associati costituiscono argomento di studio di elevato interesse nel campo della ricerca, in quanto punti cardine per la futura commercializzazione dei dispositivi. In questa tesi, si presenta uno studio sistematico di fotoanodi di ossido di zinco (ZnO) aventi struttura gerarchica ottenuta tramite deposizioni a laser pulsato (PLD). I parametri di deposizione tramite PLD saranno argomento di studio approfondito di questa tesi (pressione di deposizione, tempo di durata, grado di porosità ottenuto). Si dimostrerà che la struttura più adatta per la realizzazione di celle si basa sulla deposizione di uno strato poroso depositato a 10 Pa di ossigeno, seguita da uno strato ad elevata porosità ottenuto ablando il materiale ad una pressione parziale di 300 Pa. La soluzione di precursori di perovskite è stata successivamente applicata sui film di ZnO con la tecnica di spin coating; la cristallizzazione della perovskite stessa è stata ottenuta tramite trattamento termico successivo alla temperatura di 100°C. Si è studiato il tempo necessario all’ottenimento di una cristallizzazione ottimale; i risultati riportati dimostrano come i tempi necessari siano di breve durata (circa 15 ± 5 secondi). La morfologia e la struttura della perovskite così ottenuta e dei film sottili di ZnO sono state studiate tramite microscopia a scansione elettronica (SEM) e spettroscopia Raman, mentre spettri di fotoluminescenza e di assorbimento sono stati utilizzati per studiare le proprietà ottiche associate alle strutture composite ZnO + perovskite. Alla fine del lavoro di ottimizzazione sono state fabbricate delle celle solari, il cui funzionamento è stato testato al simulatore solare. Si cercherà di legare i valori ottenuti dalle celle fabbricate con le proprietà fondamentali dei materiali che la costituiscono.