Yüksek Verimli ve Uzun Dönem Kararlı Perovskit Güneş Hücrelerinin Üretimi için Perovskit/Spiro-OMeTAD Arayüzeyinin Thiol Molekülleri ile Modifikasyonu

Perovskit malzemesinin yüzey/sınır kusurları içeren yüzey morfolojisi, yüksek nem hassasiyeti ve operasyonel koşullarda hücre içinedoğru meydana gelen iyon göçü perovskit güneş hücrelerinin çözüm bekleyen en önemli problemleri arasındadır. Arayüzeymühendisliği, perovskit güneş hücrelerinde bu tür sorunlara karşı kullanılan en etkili yöntemlerden biridir. Bu çalışmada, thiol türevi 1-phenyl-1H-tetrazole-5-thiol (PT(thiol)) moleküllerinin, perovskit/spiro-OMeTAD arasında arayüzey tabakası olarak kullanıldığıhücrelerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Arayüzey tabakasının kullanıldığı hücrelerin açık devre gerilim ($V_{OC}$) değerlerinde 40 mViyileşme sağlanarak %19.5 verim elde edilmiştir. Fotovoltaik performanstaki bu iyileşme perovskit tabakasının yüzeyindeki ve tanesınırlarındaki rekombinasyon merkezlerinin pasivasyonu ile açıklanırken; arayüzey tabakasının operasyonel kararlılık problemine ciddibir katkı sağladığı da tespit edilmiştir. Sürekli ışınım altında ve %40 nem içeren bir ortamda gerçekleştirilen kararlılık test sonucundaarayüzey tabakalı hücrenin 300 saat sonunda başlangıç veriminin %75’ini koruduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak PT(thiol)moleküllerinin perovskit hücrelerin en önemli sorunlarından biri olan kararlılık problemine çözüm sunma potansiyeli olduğu; aynızamanda yüzey özelliklerini de iyileştirerek hücre performansını arttırdığı tespit edilmiştir.

Modification of Perovskite/Spiro-OMeTAD Interface with Thiol Molecules for the Fabrication of Highly Efficient and Long-Term Stable Perovskite Solar Cells

The surface morphology of the perovskite material with surface / boundary defects, high sensitivity to humidity, and ion migration into the cell under operational conditions are among the most important problems of perovskite solar cells. Interfacial engineering is one of the most effective methods against to such problems in perovskite solar cells. In this study, the cells in which thiol derivative 1-phenyl1H-tetrazole-5-thiol (PT(thiol)) molecules were used as an interfacial layer between perovskite / spiro-OMeTAD have been fabricated. The open circuit voltage ($V_{OC}$) values of the cells using the interface layer were improved by 40 mV and the efficiency of 19.5% was obtained. This improvement in photovoltaic performance is explained by the passivation of recombination centers on the surface of the perovskite layer and at the grain boundaries; it is also determined that the interface layer contributes to the problem of operational stability. Stability test performing under continuous illumination and 40% relative humidity displayed that the cell including interlayer maintained 75% of its initial efficiency after 300 hours. As a result, PT(thiol) molecules have the potential to provide solution to the stability problem, which is one of the most important problems of perovskite cells; it has also been found to improve cell performance by improving surface properties.

___

  • Abu Laban, W., & Etgar, L. (2013). Depleted hole conductor-free lead halide iodide heterojunction solar cells. Energy & Environmental Science, 6(11), 3249-3253.
  • Aitola, K., Domanski, K., Correa-Baena, J. P., Sveinbjornsson, K., Saliba, M., Abate, A., . . . Boschloo, G. (2017). High temperaturestable perovskite solar cell based on low-cost carbon nanotube hole contact. Advanced Materials, 29(17), 1606398.
  • Akin, S., Altintas, Y., Mutlugun, E., & Sonmezoglu, S. (2019). Cesium-lead based inorganic perovskite quantum-dots as interfacial layer for highly stable perovskite solar cells with exceeding 21% efficiency. Nano Energy, 60, 557-566.
  • Akin, S., Liu, Y., Dar, M. I., Zakeeruddin, S. M., Gratzel, M., Turan, S., & Sonmezoglu, S. (2018). Hydrothermally processed CuCrO2 nanoparticles as an inorganic hole transporting material for low-cost perovskite solar cells with superior stability. Journal of Materials Chemistry A, 6(41), 20327-20337.
  • Akin, S., Ulusu, Y., Waller, H., Lakey, J. H., & Sonmezoglu, S. (2018). Insight into interface engineering at TiO2/dye through molecularly functionalized Caf1 biopolymer. Acs Sustainable Chemistry & Engineering, 6(2), 1825-1836.
  • Ameen, S., Rub, M. A., Kosa, S. A., Alamry, K. A., Akhtar, M. S., Shin, H. S., . . . Nazeeruddin, M. K. (2016). Perovskite solar cells: Influence of hole transporting materials on power conversion efficiency. Chemsuschem, 9(1), 10-27.
  • Arora, N., Dar, M. I., Hinderhofer, A., Pellet, N., Schreiber, F., Zakeeruddin, S. M., & Gratzel, M. (2017). Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%. Science, 358(6364), 768-771.
  • Bi, D. Q., Xu, B., Gao, P., Sun, L. C., Graetzel, M., & Hagfeldt, A. (2016). Facile synthesized organic hole transporting material for perovskite solar cell with efficiency of 19.8%. Nano Energy, 23, 138-144.
  • Cao, J., Yin, J., Yuan, S. F., Zhao, Y., Li, J., & Zheng, N. F. (2015). Thiols as interfacial modifiers to enhance the performance and stability of perovskite solar cells. Nanoscale, 7(21), 9443-9447.
  • Chen, J. Z., & Park, N. G. (2018). Inorganic Hole Transporting Materials for Stable and High Efficiency Perovskite Solar Cells. Journal of Physical Chemistry C, 122(25), 14039-14063.
  • Hoque, M. N. F., Islam, N., Li, Z., Ren, G. F., Zhu, K., & Fan, Z. Y. (2016). Ionic and optical properties of methylammonium lead iodide perovskite across the tetragonal-cubic structural phase transition. Chemsuschem, 9(18), 2692-2698.
  • Huang, L. B., Su, P. Y., Liu, J. M., Huang, J. F., Chen, Y. F., Qin, S., . . . Su, C. Y. (2018). Interface engineering of perovskite solar cells with multifunctional polymer interlayer toward improved performance and stability. Journal of Power Sources, 378, 483-490.
  • Huang, X., Bi, W. T., Jia, P. C., Tang, Y., Lou, Z. D., Hu, Y. F., . . . Teng, F. (2019). Enhanced efficiency and light stability of planar perovskite solar cells by diethylammonium bromide induced large-grain 2D/3D hybrid film. Organic Electronics, 67, 101-108.
  • Javaid, S., Myung, C. W., Pourasad, S., Rakshit, B., Kim, K. S., & Lee, G. (2018). A highly hydrophobic fluorographene-based system as an interlayer for electron transport in organic-inorganic perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A, 6(38), 18635-18640.
  • Jeon, N. J., Na, H., Jung, E. H., Yang, T. Y., Lee, Y. G., Kim, G., . . . Seo, J. (2018). A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells. Nature Energy, 3(8), 682-689.
  • Kim, H.-S., Seo, J.-Y., Akin, S., Simon, E., Fleischer, M., Zakeeruddin, S. M., . . . Hagfeldt, A. (2019). Power output stabilizing feature in perovskite solar cells at operating condition: Selective contact-dependent charge recombination dynamics. Nano Energy, 61, 126-131.
  • Lai, H., Li, X., Li, S. P., Chen, Y., Sun, B. Y., Jiang, Q. H., & Yang, J. Y. (2019). Enhancement of photovoltaic performance and moisture stability of perovskite solar cells by modification of tin phthalocyanine (SnPc). Electrochimica Acta, 296, 799-805.
  • Ma, Y. C., Hangoma, P. M., Park, W. I., Lim, J. H., Jung, Y. K., Jeong, J. H., . . . Kim, K. H. (2019). Controlled crystal facet of MAPbI3 perovskite for highly efficient and stable solar cell via nucleation modulation. Nanoscale, 11(1), 170-177.
  • Matsui, T., Petrikyte, I., Malinauskas, T., Domanski, K., Daskeviciene, M., Steponaitis, M., . . . Saliba, M. (2016). Additive-free transparent triarylamine-based polymeric hole-transport materials for stable perovskite solar cells. Chemsuschem, 9(18), 2567- 2571.
  • Mei, A. Y., Li, X., Liu, L. F., Ku, Z. L., Liu, T. F., Rong, Y. G., . . . Han, H. W. (2014). A hole-conductor-free, fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability. Science, 345(6194), 295-298.
  • National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2019). Retrieved from https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
  • Pazos-Outon, L. M., Xiao, T. P., & Yablonovitch, E. (2018). Fundamental efficiency limit of lead iodide perovskite solar cells. Journal of Physical Chemistry Letters, 9(7), 1703-1711.
  • Qiu, W., Bastos, J. P., Dasgupta, S., Merckx, T., Cardinaletti, I., Jenart, M. V. C., . . . Cheyns, D. (2017). Highly efficient perovskite solar cells with crosslinked PCBM interlayers. Journal of Materials Chemistry A, 5(6), 2466-2472.
  • Quarti, C., Mosconi, E., Ball, J. M., D'Innocenzo, V., Tao, C., Pathak, S., . . . De Angelis, F. (2016). Structural and optical properties of methylammonium lead iodide across the tetragonal to cubic phase transition: implications for perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 9(1), 155-163.
  • Rong, Y. G., Liu, L. F., Mei, A. Y., Li, X., & Han, H. W. (2015). Beyond Efficiency: the Challenge of Stability in Mesoscopic Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials, 5(20).
  • Seo, J.-Y., Kim, H.-S., Akin, S., Stojanovic, M., Simon, E., Fleischer, M., . . . Grätzel, M. (2018). Novel p-dopant toward highly efficient and stable perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 11(10), 2985-2992.
  • Sherkar, T. S., Momblona, C., Gil-Escrig, L., Avila, J., Sessolo, M., Bolink, H. J., & Koster, L. J. A. (2017). Recombination in perovskite solar cells: Significance of grain boundaries, interface traps, and defect ions. Acs Energy Letters, 2(5), 1214-1222.
  • Tress, W., Yavari, M., Domanski, K., Yadav, P., Niesen, B., Baena, J. P. C., . . . Graetzel, M. (2018). Interpretation and evolution of open-circuit voltage, recombination, ideality factor and subgap defect states during reversible light-soaking and irreversible degradation of perovskite solar cells (vol 11, pg 151, 2018). Energy & Environmental Science, 11(3), 715-715.
  • Vidal, S., Izquierdo, M., Filippone, S., Fernandez, I., Akin, S., Seo, J. Y., . . . Martin, N. (2019). Site-selective synthesis of -[70]PCBMlike fullerenes: Efficient application in perovskite solar cells. Chemistry-A European Journal, 25(13), 3224-3228.
  • Wu, S. H., Chen, R., Zhang, S. S., Babu, B. H., Yue, Y. F., Zhu, H. M., . . . Chen, W. (2019). A chemically inert bismuth interlayer enhances long-term stability of inverted perovskite solar cells. Nature Communications, 10, 1161.
  • Xiang, W. C., Wang, Z. W., Kubicki, D. J., Tress, W., Luo, J. S., Prochowicz, D., . . . Hagfeldt, A. (2019). Europium-doped CsPbI2Br for stable and highly efficient inorganic perovskite solar cells. Joule, 3(1), 205-214.
  • Yang, W. S., Park, B. W., Jung, E. H., Jeon, N. J., Kim, Y. C., Lee, D. U., . . . Seok, S. I. (2017). Iodide management in formamidiniumlead-halide-based perovskite layers for efficient solar cells. Science, 356(6345), 1376-1379.
  • Zhang, J. B., Xu, B., Yang, L., Mingorance, A., Ruan, C. Q., Hua, Y., . . . Johansson, E. M. J. (2017). Incorporation of counter ions in organic molecules: New strategy in developing dopant-free hole transport materials for efficient mixed-ion perovskite solar cells. Advanced Energy Materials, 7(14), 1602736.
Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi-Cover
  • Yayın Aralığı: Yılda 4 Sayı
  • Başlangıç: 2013
  • Yayıncı: Osman Sağdıç
Sayıdaki Diğer Makaleler

Finansal Teknoloji Şirketleri ve Geleceğin Bankacılığı: Açık Bankacılık

Doğuş BİLGEL, Besim AKSOY

Başkalaşan Kanat Ucu Tasarımı ve Avantajları

Tuğrul OKTAY, Hüseyin ŞAHİN

Ülkelerin Yaşam Kalitelerine Göre Değerlendirilmesi İçin Hibrit Pisagor Bulanık Ahp-Topsis Metodolojisi: Avrupa Birliği Örneği

Ertuğrul AYYILDIZ, Aslıhan YILDIZ, Alev TAŞKIN GÜMÜŞ, Coşkun ÖZKAN

Biyosentez yöntemi ile üretilen GO: Se nanopartiküllerinin üretimi ve karakterizasyonu ve GO: Se nanopartikülleri kullanılarak geliştirilen Ag / GO: Se / p-Si cihazının akım-gerilim özellikleri

Tuba ÇAKICI

İletken İplik Alımında Etkili Kriterler Arasındaki İlişkilerin DEMATEL Yöntemi İle Belirlenmesi

Duygu ERDEM, Münire Sibel ÇETİN

Güneyköy civarındaki (GD Elazığ, D Türkiye) Volkanik kayaçların (Yüksekova Karmaşığı) Jeokimyası

Melek URAL

Bilgi Teknolojileri ve Üst Yönetim Desteğinin Tedarik Zinciri Performansına Etkisi: Türkiye İçin Ampirik Bir Yaklaşım

Rahmi BAKİ

Diyarbakır İli Bazı Kiraz Bahçelerinde Bulunan Zararlı ve Faydalı böcek Türleri ile Bazı Önemli Zararlı Türlerin Doğada Görülme Zamanı

Mehmet KAPLAN

Robotik Aktüatörde Piezoelektrik Malzemelerin ve Şekil Hatırlamalı Alaşımların Gelişimi

Safar Saeed MOHAMMED, Mediha KÖK, Ibrahim Nazem QADER, Fethi DAĞDELEN

Buğdayda PCR’a Dayalı Teknikler için DNA Ekstraksiyon Protokollerinin Karşılaştırılması

Özlem ATEŞ SÖNMEZOĞLU, Begüm TERZİ