Manufacturing and Characterization of Perovskite Thin Films Using Novel Methods

Abstract

Perovskite photovoltaics is a promising technology due to its low-cost fabrication and high efficiency. Since their first demonstration in 2009, efficiencies of perovskite solar cells (PSCs) increased unprecedently fast from 3.81% to 25.2% in 10 years. The most common method for the deposition of the absorber layer of the perovskite solar cells is the spin-coating method, which is not a scalable method, and this method is an obstacle to their commercialization. Efficiencies obtained with scalable methods are currently lower than that of the spin-coating method. In this thesis, among the scalable deposition methods, a novel ultrasonic spray-coating was used by adding antisolvent vapor to the system. The antisolvent quenching technique, that is commonly used to improve the crystalline quality of the film by spin-coating was successfully adapted for ultrasonic spray coating. The interaction between diethyl ether (DE) vapor, which is used as an antisolvent, and MAPb(I(3-x)Brx)3 precursor solution (where the solvent is DMF:DMSO, 4:1) was utilized to improve the crystalline quality of the perovskite film. As a result of this interaction, the intermediate phase was observed. The transition to the intermediate phase is supported by data from characterization methods such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-Ray diffraction (XRD), and current-voltage measurement. Furthermore, n-i-p devices with the FTO/c-TiO2/m-TiO2/MAPb(I(1-x)Brx)3/Spiro-OMeTAD architecture were produced with different antisolvent vapors and their efficiencies was compared. It was observed that devices using DE vapor reach higher efficiencies than devices without any antisolvent vapor.

Perovskit fotovoltaikler düşük maliyetli üretimi ve yüksek verimlilikleri nedeniyle umut verici bir teknolojidir. 2009'daki ilk gösterimlerinden bu yana perovskite güneş pillerinin verimliliği 10 yılda %3.81'den %25.2'ye görülmemiş bir hızla ulaşmıştır. Perovskit güneş pillerinin emici tabakasının biriktirilmesi için kullanılan en yaygın yöntem dönel kaplamadır. Ölçeklenebilir bir yöntem olmayan dönel kaplama ile üretilen perovskit güneş pilleri ticarileşememektedir. Bu tezde ölçeklenebilir bir metot olan ultrasonik sprey ile kaplama yöntemi, sisteme antisolvent buharı dahil edilerek kullanılmıştır. Dönel kaplama ile perovskit ince filmlerdeki kristal kalitesini artırmak amacıyla kullanılan antisolvent sönümleme tekniği ultrasonik sprey kaplama ile başarıya ulaşmıştır. Antisolvent olarak kullanılan dietil eter (DE) buharı ve hacmen 4:1 oranındaki DMF:DMSO solventlerinin içinde bulunan MAPb(I(1-x)Brx)3 öncül solüsyonunun etkileşimi gerçekleştirilmiştir. Bu etkileşim sonucunda ara faz gözlemlenmiştir. Ara faza geçiş, optik mikroskopi, tarayıcı elektron mikroskopisi (SEM), X-Işını Kırınımı (XRD) ve akım- gerilim ölçümleri ile karakterize edilmiş ve bu karakterizasyon yöntemlerinden elde edilen verilerle desteklenmiştir. FTO/c-TiO2/m-TiO2/MAPb(I(1-x)Brx)3/Spiro-OMeTAD mimarisine sahip n-i-p cihazlar farklı antisolvent buharlarıyla üretilmiş ve verimleri kendi aralarında karşılaştırılmıştır. DE buharı uygulanan cihazların herhangi bir antisolvent buharı uygulanmayan cihazlara nazaran daha yüksek verimlere ulaştığı görülmüştür.