Caracterização de células solares de perovskita utilizando as técnicas celiv e espectroscopia de impedância elétrica

Abstract

Mesmo com o avanço das células solares a base de perovskita (CSPs) nos últimos anos, vários fatores demandam investigações a fim de que esta tecnologia atinja seu potencial comercial. Entre diversos fatores, o transporte elétrico, com várias questões peculiares e que impactam diretamente na eficiência do dispositivo e em seu tempo de vida, merece destaque e atenção especial. Neste âmbito, o uso de técnicas de caracterização elétrica avançadas é de extrema importância. Dentre as diversas técnicas que podem ser utilizadas, destacam-se a extração de portadores de carga por meio do aumento linear da tensão (CELIV) e a impedância de espectroscopia elétrica (EIE) por serem técnicas de simples aplicação e que podem ser utilizadas em dispositivos eletrônicos. Desta forma, esta tese explora o uso de CELIV e EIE em diferentes situações de células solares, objetivando contribuir para o entendimento de duas questões principais relacionadas ao transporte elétrico em CSPs: (i) o impacto de diferentes materiais na camada transportadora de elétrons (CTE) e (ii) como a concentração de brometo influencia no efeito de imersão da luz presente nas CSPs de cátions mistos. O estudo (i) utilizou células com arquitetura n-i-p com CTE compacta de Nb2O5 depositada por dois métodos: sputtering reativo e sol-gel-spin-coating. Nota-se um aumento da histerese nas células para amostras com CTE depositadas via spin-coating. Para investigar este efeito, foi realizado CELIV, foto-CELIV e EIE nas amostras. As mobilidades obtidas por foto-CELIV mostram uma dependência inversa com a rampa de tensão para ambas as amostras, e valores muito próximos e.g., 0,45 x 10-1 cm2 V-1s-1 e 0,38 x 10-1 cm2 V-1s-1 com rampa de 10000 Vs-1 para CSPs com CTE depositada por spin-coating e por sputtering reativo, respectivamente. Por outro lado, a densidade de portadores da amostra com CTE por sputtering reativo foi cerca de 1,1 vezes maior também para esta rampa de tensão. A explicação para este fenômeno de menor mobilidade, mas maior densidade de portadores mora no tempo de recombinação característico dos portadores. Os tempos de recombinação, calculados variando o tempo de delay entre o pulso de luz e a rampa de tensão são de 1,4 ± 0,1 µs e 25 ± 1,2 µs para a amostrada com CTE depositada por sputtering contra 0,4 ± 0,1 e 4,6 ± 0,9 para a amostra com CTE depositada via spin-coating. Notou-se também menor acúmulo de cargas nas interfaces da amostra com CTE depositada via sputtering. Estes resultados indicam que a histerese maior nas CSPs montadas sobre Nb2O5 depositado por spin-coating estão relacionados ao maior acúmulo de cargas nas regiões de interface, maior difusão iônica e tempos de recombinação menores que estas amostras possuem o que altera o balanço entre injeção e extração de portadores. A fim de resolver este problema dois passivadores diferentes foram usados nessas células: PMMA sobre a camada da perovskita e Mxenes no Nb2O5. Houve uma pequena redução na mobilidade, com o uso destes passivadores, de 2,89 x 10-2 cm2V-1s-1 para 0,987 x 10-2 cm2V-1s-1 e 1,1 x 10-2 cm2V-1s-1 para a amostra controle (CTE depositada via spin-coating) e para as melhores amostras com PMMA e Mxene, respectivamente. Entretanto, o uso de passivadores aumentou substancialmente os tempos de recombinação e diminuiu o acúmulo de cargas nas interfaces, melhorando a ECE das células. No estudo (ii) foram estudadas células com 5at% Br e 17at% Br ambas com imersão da luz. Os resultados apontaram uma mudança no mecanismo responsável pelo efeito da imersão da luz de acordo com a quantidade de Br, sendo que para o primeiro caso, o efeito a imersão da luz está ligado ao preenchimento de defeitos de bulk e deslocamento iônico uma vez que se observou diminuição do tempo de recombinação e aumento de mobilidade com o tempo de imersão da luz. Concentrações mais altas já possuem uma ativação diferente para o efeito a imersão da luz, uma vez que não há mudança evidente da mobilidade com o tempo de imersão da luz, nem no espectro C-f. Embora este resultado seja interessante, as causas desta mudança demandariam investigações adicionais para serem explicadas. Em conclusão, utilizando CELIV e EIE foi possível investigar a mudança de propriedades de transporte elétrico diferentes CSPs, levantando informações importantes que podem auxiliar na compreensão dos fenômenos investigados. Estas informações puderam ser levantadas graças ao potencial das técnicas, que usadas em conjunto levantam estudos complementares a respeito do transporte de cargas.

Even with the advancement of perovskite solar cells (PSCs) in recent years, several factors demand investigations for this technology to reach its potential in power conversion efficiency (PCE). Among several factors, electrical transport, with peculiar issues that directly impact the PCE of the device and its lifetime, deserves special attention. In this context, the use of advanced characterization techniques that allow a systematic understanding of how the electrical transport is being affected according to the deposition and/or operating conditions of PSCs is extremely important. Among the techniques that can be used, we can highlight the charges extraction in a linearly increased voltage (CELIV) and the electrical impedance spectroscopy (EIS) as they are techniques of simple application and can be used in complete devices, thus raising integral information with respect to transport. This way, this thesis explores the use of CELIV and EIE in different situations of PSCs, aiming to contribute to the understanding of two main issues related to electrical transport: (i) how the deposition method of the electron transport layer (ETL) impacts in it and (ii) how the percentage of bromide in the cell influences the light soaking effect present in PSCs of mixed cations. In (i) cells with n-i-p architecture were used with compact ETL of Nb2O5 deposited by two methods: reactive sputtering and sol-gel-spin-coating. There is an increase in hysteresis in cells for samples with ETL deposited via spin-coating. To investigate this effect, CELIV, photo-CELIV and EIS were performed on the samples. The mobilities obtained by photo-CELIV show an inverse dependence on the voltage ramp for both samples, and very close values e.g., 0.45 x 10-1 cm2 V -1 s -1 and 0.38 x 10-1 cm2 V -1 s -1 with a ramp of 10000 Vs-1 for PSCs with ETL deposited by spin-coating and by reactive sputtering, respectively. On the other hand, the carrier density of the sample with ETL by reactive sputtering was about 1.1 times higher also for this voltage ramp. The explanation for this phenomenon of lower mobility, but higher carrier density lies in the characteristic recombination time of carriers. The recombination times, calculated by varying the delay time between the light pulse and the voltage ramp, are 1.4 ± 0.1 µs and 25 ± 1.2 µs for the sampled with ETL deposited by sputtering versus 0.4 ± 0.1 µs and 4.6 ± 0.9 µs for the sample with ETL deposited via spin-coating. There was also less charge accumulation at the interfaces of the sample with ETL deposited via sputtering. These results indicate that the higher hysteresis in the PSCs mounted on Nb2O5 deposited by spin-coating are related to the higher charge accumulation in the regions at the interfaces, higher ionic diffusion, and shorter recombination times that these samples have, which alters the balance between injection and extraction of carriers. To solve this problem two different passivators were used in these cells: PMMA on the perovskite layer and Mxenes mixed with the compact Nb2O5. There was a small reduction in mobility with the use of these passivators, from 2.89 x 10-2 cm2V -1 s -1 to 0.987 x 10-2 cm2V -1 s -1 and 1.1 x 10-2 cm2V -1 s -1 for the control sample (ETL deposited via spin-coating) and for the best samples with PMMA and Mxene, respectively. However, the use of passivators substantially increased recombination times and decreased charge accumulation at interfaces, improving cell PCE. In (ii) cells with 5at% Br and 17at% Br, both with light soaking were studied. The results showed a change in the mechanism responsible for the light immersion effect according to the amount of Br, and for the first case, the light soaking effect is linked to the filling of bulk defects and ionic displacement since it is observed a decrease in recombination time and an increase in mobility with light immersion time. Higher concentrations already have a different activation for the light immersion effect, since there is no evident change in mobility with light immersion time, nor in the C-f spectrum. Although this result is interesting, the causes of this change would require further investigation to be explained. In conclusion, using CELIV and EIS it was possible to investigate the change of electrical transport properties of different PSCs, raising important information that can help in the understanding of the investigated phenomena. This information could be collected thanks to the potential of the techniques, which used together raise complementary studies regarding the transport of charges.