Hybrid perovskite-based solar cells : photoactive layer morphology optimization towards printed devices

Reduce the energy consumption, decrease the consumption of fossil fuels and lower the percentage of pollution, are considered the three main issues in order to ensure sustainable development, complemented by the search for renewable energy. Sunlight is the main source of energy on earth, in a single hour the sun radiates the earth's surface with an energy equal to the overall energy consumption of a full year. The biggest obstacle to a large-scale exploitation of this source is the difficulty in proposing these technologies at a price competitive with that of fossil fuels on the market. In the last five decades, the photovoltaic field has been interested by an intense research activity, in order to develop new technologies which can guarantee good performance with more accessible cost. Particularly over the last twenty years the research and development of thin film technology and/or third generation have been intensified. Today, a good part of the efforts are focused on developing devices realised through the solution processing, which cut down the huge process costs characterizing the traditional technologies. In particular, since 2011, there has been a boom in the interests and development of a particular class of materials called hybrid perovskites. These materials, solution processable and characterized by a crystalline structure with an inorganic cage and an organic cation, present strong optical absorption, low non radiative recombination rate, together with the ease of fabrication. After achieving the efficiency of 3.9% in 2011, thanks to the effort of many laboratories around the world, the efficiency has seen a rapid growth, reaching about 22% in small area laboratory cells. The next challenge will be translating the lab-scale process to a large-scale production process, which will preferably include a cost- competitive roll-to-roll printing process. In this thesis the perovskite morphology has been studied and improved with the typical laboratory-scale deposition technique: the spincoating. Then the obtained results were translated in the fabrication of partially printed devices using the barcoating printing technique. The work has been carried out in the Center for Nano-Science and Technology@PoliMi (CNST@PoliMi) of Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Ridurre il consumo di energia, diminuire il consumo di combustibili fossili e abbassare la percentuale di inquinamento, sono considerate le tre principali problematiche al fine di garantire uno sviluppo sostenibile, affiancate dalla ricerca di energie rinnovabili. La luce solare è la principale fonte di energia sulla terra; in una sola ora il sole irraggia la superficie terreste con un’energia pari al consumo globale energetico di un intero anno. Il più grande ostacolo ad uno sfruttamento su ampia scala di questa fonte è la difficoltà nel proporre queste tecnologie ad un prezzo competitivo con quello dei combustibili fossili sul mercato. Negli ultimi cinque decenni, il campo fotovoltaico è stato interessato da un'intensa attività di ricerca, al fine di sviluppare nuove tecnologie che garantiscano buone prestazioni con costi più accessibili. In particolare negli ultimi vent’ anni si sono intensificate le ricerche e lo sviluppo di tecnologie a film sottile e/o di terza generazione. Oggi, una buona parte degli sforzi è concentrata sullo sviluppo di dispositivi realizzati attraverso solution processing, che abbatte i costi enormi di processo che caratterizzano le tecnologie tradizionali. In particolare, dal 2011 si è assistito al boom nell'interesse e nello sviluppo di una particolare classe di materiali che va sotto il nome di perovskiti ibride. Questi materiali, processabili da soluzioni e che presentano una struttura cristallina con una gabbia inorganica e un catione organico, sono dotati di forte assorbimento ottico, basso tasso di ricombinazione radiativa e facilità di fabbricazione. Dopo il raggiungimento dell'efficienza di 3.9% nel 2011, grazie allo sforzo di molti laboratori nel mondo, l'efficienza ha visto una crescita velocissima, fino a raggiungere circa il 22 % in celle di laboratorio di piccola area. La prossima sfida sarà trasportare il processo di produzione da una scala di laboratorio a una scala di produzione industriale includendo preferibilmente un processo di stampa roll- to-roll con costi competitivi. In questa tesi, la morfologia dello strato fotoattivo di perovskite è stata studiata e migliorata attraverso la tipica tecnica di deposizione su scala di laboratorio: lo spincoating.I risultati ottenuti sono stati poi traslati nella fabbricazione di dispositivi parzialmente stampati utilizzando la tecnica di stampa di barcoating. Il lavoro è stato completamente svolto presso il Center for Nano-Science and Technology@PoliMi (CNST@PoliMi) dell’ Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).