Meso-superstructured solar cell based on organo-metal halide perovskite

In the last ten years, 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. Today, the most part of the efforts are focused on developing devices realised through the “solution processing”, which deletes the huge process costs characterizing the traditional technologies. With this perspective, the semi-organic solar cell has demonstrated huge potential, joining the good optoelectronic properties of metals to the simplicity of the process related to organic materials. Now the Dye Sentitized Solar Cells (DSSC) and Meso-Superstructured Solar Cells(MSSC), represent two of the most promising technologies, thanks to their high performance, already obtained since the first tests. The first devices that have given good results have been the liquid DSSC (Gratzel cell), in which a nanostructured semiconductor, usually TiO_2, is covered by optically active material (dye) and immersed in a liquid electrolyte. Thanks to the improvement of the architecture and the process, the MSSC technology has been developed; in particular the semiconductor has been replaced with nanostructured insulator. These cells using Organo-Metal Halide Perovskite as absorbing material, have reached a higher efficiency of 16%. Although the photophysic dynamics are not known yet, recent studies have showed that the merit of these performance is attributable to the exceptional optoelectronic properties of the Perovskite. Indeed the potentiality of this material are not totally exploited by currently architecture, which, on the contrary, limits it. At the beginning, the aim of this project was the realization of MSSC devices, through which to compare the performance of different architectures. In particular, the classic Hole Transport Layer (HTL) (Spiro-oMETAD) has been replaced with the Molybdenum disulphide (MoS_2), having better properties and low costs. For the realization of the HTL of MoS_2, have been tested two different architectures: Uniform film formed by interconnected flakes of MoS_2 Flakes of MoS_2 dispersed in an insulating matrix (PVP) Nowadays, always with the target to take full advantage by the Perovskite’s properties, several studies point to eliminate the HTL, in order to reduce the leakages of photocurrent due to absorber/HTL interface.

Negli ultimi dieci anni, il settore fotovoltaico è stato interessato da una intensa attività di ricerca, atta allo sviluppo di nuove tecnologie che potessero garantire buone prestazioni ad un costo più accessibile. Attualmente gran parte degli sforzi sono concentrati sullo sviluppo di dispositivi realizzabili attraverso il così detto “solution processing”, il quale evita gli enormi costi di processo che caratterizzano le tecnologie odierne. In quest’ottica, le celle semi-organiche hanno dimostrato enormi potenzialità, unendo le proprietà optoelettroniche dei metalli alla semplicità di processo legata ai materiali organici. Attualmente le Dye Sentitized Solar Cells (DSSC) e Meso-Superstructured Solar Cells (MSSC), rappresentano due tra le tecnologie più promettenti, grazie anche alle loro alte prestazioni, ottenute già dalle prime sperimentazioni. I primi dispositivi a fornire buoni risultati sono state le DSSC a stato liquido (celle di Gratzel), in cui un semiconduttore nanostrutturato, tipicamente TiO_2, era ricoperto da un materiale otticamente attivo (dye) ed immerso in un elettrolita liquido. Attraverso l’ingegnerizzazione dell’architettura e il miglioramento del processo, si è successivamente sviluppata la tecnologia MSSC, in cui si è sostituito il semiconduttore con un isolante nanostrutturato. Seppur con limitata riproducibilità, queste celle, impieganti come materiale attivo uno strato di Organo-Metal Halide Perovskite, hanno raggiunto efficienze superiori al 16%. Sebbene le dinamiche della fotofisica non siano ancora chiare, da recenti studi è emerso che il merito di queste prestazioni è attribuibile in larga misura alle eccezionali proprietà optoelettroniche della Perovskite. Si pensa, infatti, che le potenzialità di questo materiale non siano sfruttate appieno dall’odierna architettura del dispositivo e che anzi in qualche modo essa le limiti. In questo lavoro inizialmente ci si è concentrati sulla realizzazione di dispositivi MSSC, con cui si poter comparare le prestazioni di diverse architetture. In particolare si è provato a sostituire il classico Hole Transport Layer (HTL) (Spiro-oMETAD) con Disolfuro di Molibdeno(MoS_2), avente migliori proprietà di conduzione e minor costo.\\ Per la realizzazione del HTL di MoS_2, sono state provate due differenti architetture: Film uniforme formato da flakes interconnessi di MoS_2 Flakes di MoS_2 dispersi in matrice isolante (PVP) Attualmente, sempre con l’obbiettivo di sfruttare al massimo le proprietà di conduzione della Perovskite, diversi studi mirano all’eliminazione dell’HTL, in modo tale da ridurre la perdita di fotocorrente dovuta all’accoppiamento materiale attivo/HTL.