Energy harvesting via photovoltaic (PV) solar cells is becoming a leading element in the decarbonization picture, the market requires new and improved technologies to expand the share of electricity generated by renewable sources. Metal halide perovskite solar cells have seen a fast growth with research cells efficiencies surging above 25% and, thanks to the inexpensive materials composing it, they stand as a valid option to back up the widespread crystalline silicon-based PV technologies. The better results have been reached by lead-based halide perovskites, yet some concerns on the hazard posed by this metal have been raised. Lead-free halide perovskites are thus summoning a lot of attention despite producing slightly less outstanding results. This work focuses on safer tin halide perovskites, investigating on peculiar perovskite properties such as the bandgap tunability and explores a easily scalable and cost-effective architecture: a triple mesoscopic architecture with carbon counter electrode that can be produced by screen printing. Six different compositions of tin-based mixed halide perovskites have been investigated, revealing the variations in the halide mixture reflect in the material bangap and optical properties: Br rich perovskite had wider bandgaps but higher density of defect, highlighted by the photoluminescence response; while lower content of Br led to smaller bandgaps and strong intrinsic hole doping revealed by a blueshift in the absorption curve. The work showed the possibility of producing printable lead-free perovskite solar cells with no hysteresis, opening the way to a large range of future studies to improve the performance and stability of the cells.

La produzione di energia elettrica tramite celle fotovoltaiche sta diventando una tecnologia di punta nell’ambito della decarbonizzazione, il mercato necessita di nuovi e performanti dispositivi per aumentare la porzione di elettricità generata da fonti rinnovabili. Le celle solari basate su Metal halide perovskites hanno visto un rapida crescita della loro efficenza che ha superato il 25%. Inoltre, grazie all’economicità dei materiali che le compongono, si configurano come una valida opzione da affiancare alle più diffuse celle a base di silicio cristallino. I migliori risultati per questo tipo di tecnologia sono stati ottenuti da halide perovskites (HP) a base di piombo, nonostante ciò la pericolosità del piombo per l’uomo e l’ambiente causa preoccupazione. Per questo motivo le HP senza piombo stanno suscitando interesse all’interno della comunità scientifica nonostante le prestazioni più moderate. Questa tesi si concentra su HP più sicure a base di stagno, indaga peculiari proprietà delle perovskiti come il bandgap regolabile e esplora un’architettura facilmente scalabile e dal basso costo di produzione: un’architettura mesoscopica a triplo strato, con elettrodo posteriore in carbonio prodotta tramite stampa serigrafica. Sei differenti composizioni di HP a base di stagno sono state studiate, analizzando il legame tra l’assortimento di alogeni usati e il bangap con le altre proprietà optoelettroniche: le perovskiti ad alto contenuto di Br mostrano un bandgap maggiore ma anche un’alta densità di difetti, indicata dalla bassa intensità della fotoluminescenza; minori contenuti di Br portano, invece, a bandgap minori e ad un alto drogaggio di lacune che causa un blue shift nelle curve d’assorbimento. Il lavoro svolto indica la concreta possibilità di produrre celle fotovoltaiche stampabili basate su HP senza piombo, che non presentano isteresi, aprendo la strada a un ampia gamma di studi futuri per il miglioramento dell’efficenza e stabilità delle celle stesse.

Screen Printed Tin-Based Halide Perovskite Solar Cells

Zanolini, Martina
2022/2023

Abstract

Energy harvesting via photovoltaic (PV) solar cells is becoming a leading element in the decarbonization picture, the market requires new and improved technologies to expand the share of electricity generated by renewable sources. Metal halide perovskite solar cells have seen a fast growth with research cells efficiencies surging above 25% and, thanks to the inexpensive materials composing it, they stand as a valid option to back up the widespread crystalline silicon-based PV technologies. The better results have been reached by lead-based halide perovskites, yet some concerns on the hazard posed by this metal have been raised. Lead-free halide perovskites are thus summoning a lot of attention despite producing slightly less outstanding results. This work focuses on safer tin halide perovskites, investigating on peculiar perovskite properties such as the bandgap tunability and explores a easily scalable and cost-effective architecture: a triple mesoscopic architecture with carbon counter electrode that can be produced by screen printing. Six different compositions of tin-based mixed halide perovskites have been investigated, revealing the variations in the halide mixture reflect in the material bangap and optical properties: Br rich perovskite had wider bandgaps but higher density of defect, highlighted by the photoluminescence response; while lower content of Br led to smaller bandgaps and strong intrinsic hole doping revealed by a blueshift in the absorption curve. The work showed the possibility of producing printable lead-free perovskite solar cells with no hysteresis, opening the way to a large range of future studies to improve the performance and stability of the cells.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
5-ott-2023
2022/2023
La produzione di energia elettrica tramite celle fotovoltaiche sta diventando una tecnologia di punta nell’ambito della decarbonizzazione, il mercato necessita di nuovi e performanti dispositivi per aumentare la porzione di elettricità generata da fonti rinnovabili. Le celle solari basate su Metal halide perovskites hanno visto un rapida crescita della loro efficenza che ha superato il 25%. Inoltre, grazie all’economicità dei materiali che le compongono, si configurano come una valida opzione da affiancare alle più diffuse celle a base di silicio cristallino. I migliori risultati per questo tipo di tecnologia sono stati ottenuti da halide perovskites (HP) a base di piombo, nonostante ciò la pericolosità del piombo per l’uomo e l’ambiente causa preoccupazione. Per questo motivo le HP senza piombo stanno suscitando interesse all’interno della comunità scientifica nonostante le prestazioni più moderate. Questa tesi si concentra su HP più sicure a base di stagno, indaga peculiari proprietà delle perovskiti come il bandgap regolabile e esplora un’architettura facilmente scalabile e dal basso costo di produzione: un’architettura mesoscopica a triplo strato, con elettrodo posteriore in carbonio prodotta tramite stampa serigrafica. Sei differenti composizioni di HP a base di stagno sono state studiate, analizzando il legame tra l’assortimento di alogeni usati e il bangap con le altre proprietà optoelettroniche: le perovskiti ad alto contenuto di Br mostrano un bandgap maggiore ma anche un’alta densità di difetti, indicata dalla bassa intensità della fotoluminescenza; minori contenuti di Br portano, invece, a bandgap minori e ad un alto drogaggio di lacune che causa un blue shift nelle curve d’assorbimento. Il lavoro svolto indica la concreta possibilità di produrre celle fotovoltaiche stampabili basate su HP senza piombo, che non presentano isteresi, aprendo la strada a un ampia gamma di studi futuri per il miglioramento dell’efficenza e stabilità delle celle stesse.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/210606