Hybrid organic inorganic perovskite solar cells : analysis of performance and stability in reverse bias

Abstract

Lead-halide perovskites show great promise for high-efficiency Si/perovskite tandem solar cells, with record efficiencies now surpassing 25 % in single junction. However, to reach commercialization, it is necessary for the cell to be stable under several stressing conditions that the field imposes, such as currents up to 25 mAcmð€€€2, voltages from -1.2 V to 1.2 V, temperatures up to 85 C, illuminations of more than 1000 Wmð€€€2 and humidities up to 100 %. This work first presents an extensive review of these problems and the solutions that have appeared so far. Then, the methods and layer recipes that we used to fabricate perovskite solar cells and study these problems are described. Results of substructures containing individual layers of TiO2 and poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) are then analyzed, showing how they influence the final device by introducing series resistance and interface recombination. We then move on to describe complete solar cells with formamidinium/cesium lead iodide/bromide as the perovskite, using techniques such as current-voltage scans, maximum power point tracking, external quantum efficiency, photoluminescence, dark lock-in thermography and electron microscopy. We finish by describing the instabilities of these solar cells caused by reverse biases. These damages can be triggered by reverse voltages as low as -0.3 V for opaque solar cells. We demonstrate that at least four main processes occur when reverse voltages are applied, such as electrochemical reactions between layers, phase transitions of the perovskite and metal migration from the electrodes.

Perovskitas de chumbo-halogênio apresentam uma grande promessa para células solares tandem de Si/perovskita de alta eficiência, com eficiências recorde ultrapassando 25 % em monojunção. No entanto, para alcançar comerciabilidade, é necessário que a célula seja estável sob muitas condições de estresse que o campo introduz, como correntes até 25 mAcmð€€€2, tensões de -1.2 V até 1.2 V, temperaturas de até 85 C, iluminações de mais de 1000 Wmð€€€2 e humidades de até 100 %. Este trabalho primeiramente apresenta uma extensiva revisão destes problemas e das solução que apareceram até agora. Então, os métodos e receitas de camada que foram usados para fabricar células solares de perovskita são descritos. Resultados de subestruturas contendo camadas individuais de TiO2 e poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) são analisadas, mostrando como elas influenciam o dispositivo final introduzindo resistência em série e recombinação de interface. Nós, então, seguimos em frente para mostrar células solares completas com formamidínio/césio chumbo iodeto/brometo como a perovskita, usando técnicas como varreduras de corrente/ tensão, rastreamento de ponto de máxima potência, eficiência quântica externa, fotoluminescência, termografia de escuro por lock-in e microscopia eletrônica. Nós terminamos descrevendo as instabilidades destas células solares causadas por tensões reversas. Estes danos podem ser acionados por tensões reversas tão baixas quanto -0.3 V para células solares opacas. Nós demonstramos que pelo menos quatro processos podem ocorrer quando tensões reversas são aplicadas, como reações eletroquímicas entre camadas, transições de fase da perovskita e migração metálica dos eletrodos.