Development of organic materials for interfaces in perovskite solar cells

Due to the relatively high production costs of conventional solar cell devices there is a growing interest in alternative technologies with abundant materials and lower production costs. This development has led to several types of systems such as dye-sensitized solar cells (DSSCs) and more recently, perovskite solar cells. The initial research activity of this PhD. work was focused on DSSCs with the development of Lewis-base organic dyes with a pyridyl group as an alternative binding group as presented in appendix A. Nevertheless, further development of DSSCs with the replacement of the organic sensitizer by organic-inorganic halide perovskite has led to a new type of solar cells. With a state-of-the-art PCE of 22.1% perovskite solar cells are a very good competitor for conventional Si-based solar cells. Despite the fact that organic-inorganic halide perovskite is a promising class of light absorbing material, one of the major drawbacks are hysteresis and long-term stability which can hinder the commercialization of perovskite solar cells. In solar cells interfaces play an important role in the degradation of the perovskite material. By careful modification of the interfaces in the device the long-term stability of the device can be improved. In this work, we present the modification of different interfaces in the perovskite solar cell to increase the PCE and improve the stability. Modification of the TiO2 layer with fullerene derivatives has proven to be effective to increase the PCE and improve the electrical stability of the device. In this framework we present the modification of the TiO2 by the introduction of a thermally cross-linkable [6,6]-phenyl-C61-butyric styryl dendron ester (PCBSD), which forms a thin solvent-resistant, robust electron-extracting layer (EEL). In addition we show that in the device with PCBSD, the Voc is increased in comparison with devices having the commonly used [6,6]-phenyl-C61-butyric methyl ester (PCBM) as EEL. Moreover, we present an alternative method to cross-link PCBSD by UV-curing, which allows for low temperature processing of perovskite solar cells and other optoelectronic devices. Low temperature processing turns into the reduction of production costs and applications on flexible substrates could also be possible. In addition, we show the synthesis and cross linking of [6,6]-phenyl-C61-butyric 1,4-pentadien dendron ester by UV-curing in the presence of a photoinitiator. Furthermore, it is known that defect sites in the perovskite structure formed during crystallization or degradation are one the causes for electrical instability of the perovskite solar cell. Several methods have been reported for the passivation of defect sites on the surface of perovskite material. Here we report on the passivation of the perovskite surface in the inverted architecture with different Lewis-base binding units functionalized with triphenylamine. The interaction between the passivation materials and the perovskite is analysed and the effect on the performance of the device is highlighted.

A causa dei costi di produzione relativamente alti delle celle solari convenzionali, l'interesse in tecnologie alternative, basate su materiali ampiamente disponibili e dai costi di produzione minori, sta progressivamente salendo. Questo ha portato allo sviluppo di svariati sistemi, quali le Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC o celle di Gratzel) e, più recentemente, le celle solari a perovskite. L'attività di ricerca iniziale di questo lavoro di dottorato si è concentrata sulle DSSC, in particolare sullo sviluppo di pigmenti organici dalle caratteristiche di base di Lewis, dotate di un legante piridile, come presentato in Appendice A. Tuttavia, gli sviluppi nel campo delle DSSC e la sostituzione dei pigmenti organici con perovskiti ibride (catione organico, anione alogeno inorganico), hanno portato ad un nuovo tipo di celle solari, che con un'efficienza di conversione, allo stato dell'arte, del 22.1% si pongono come una valida alternativa alle celle solari convenzionali basate sul silicio. Nonostante queste perovskiti ibride siano una classe di materiali foto-assorbenti molto promettente, la loro commercializzazione è ostacolata dall'isteresi del materiale nella cella e dalla sua instabilità sul lungo termine. Nelle celle solari le interfacce giocano un ruolo molto importante nei processi di degradazione della perovskite ed infatti uno degli approcci per prolungare la stabilità dei dispositivi è proprio la modifica di tali interfacce. In questo lavoro viene presentata la modifica di diverse interfacce delle celle solari a perovskite allo scopo di incrementarne l'efficienza di conversione e la stabilità. Modifiche dello strato di TiO2 con derivati fullerenici si sono dimostrate efficaci sia nell'incrementare l'efficienza di conversione che nel migliorare la stabilità elettrica del dispositivo. In questo contesto presentiamo la modifica dello strato di TiO2 mediante l'introduzione di una funzione [6,6]-fenil-C61-butirrico stiril dendron estere (PCBSD) termicamente crosslinkabile, la quale forma un sottile strato solvente-resistente che funge anche estrattore di elettroni. Inoltre mostriamo come nei dispositivi con PCBSD il VOC sia più elevato rispetto ai dispositivi che hanno uno strato estrattore di elettroni (EEL) composto dal comunemente usato [6,6]-fenil-C61-butirrico metil estere (PCBM). In aggiunta, presentiamo un metodo alternativo di crosslink del PCBSD basato sul trattamento UV, il quale permette di processare a temperature più basse sia le celle solari a perovskite che altri dispositivi opto-elettronici. Ciò non solo porta alla riduzione dei costi di produzione di questi dispositivi, ma rende anche possibile l'utilizzo di substrati flessibili per la loro realizzazione. A tale proposito mostriamo la sintesi e il crosslink di [6,6]-fenil-C61-butirrico 1,4-pentadien dendron estere tramite trattamento UV in presenza di un fotoiniziatore. Infine, è noto come i siti di difetto che si formano nella struttura della perovskite, durante la cristallizzazione o a causa di processi di degradazione, siano una delle cause dell'instabilità elettrica delle celle solari a perovskite. In letteratura sono stati riportati svariati metodi di passivazione dei siti di difetto sulla superficie della perovskite. In questo lavoro riportiamo inoltre un metodo di passivazione della perovskite nelle celle ad architettura invertita, utilizzando come leganti diverse basi di Lewis funzionalizzate con trifenilammina, assieme all'analisi dell'interazione tra il materiale passivante e la perovskite, soffermandosi anche sugli effetti sulle performance dei dispositivi.