Enhancing the light-harvesting of perovskite solar cells by utilizing down-conversion

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, based on a lot of advantages, organic-inorganic lead halide perovskite has been used in many ways, among which it exhibited outstanding characteristic for photovoltaic performance in application to solar cells. In addition, low-cost fabrication and low-temperature solution process are possible, and since it has an appropriate band gap, there are lot of interest and research as a material for the next generation of solar cells. The CH3NH3PbI3 (MAPbI3)-perovskite solar cells (PSCs) show effective solar light utilization and high solar efficiency compared to conventional solar cells, but because they are greatly affected by external environments (such as temperature, moisture, light, etc.). For this reason, the research is needed to improve the stability of the perovskite materials and prevent the degradation of the PSCs. The utility of solar light used as an energy source for solar cells and the following problems must also be solved. The range of solar light entering the PSCs is mostly in a wide area of wavelengths from ultraviolet (UV) to infrared (IR), but the wavelength region mainly used is the visible light, which is about half of the actual incoming solar light. Unfortunately, the MAPbI3 PSCs show effective photovoltaic performance but exhibit low utilization and instability in the UV region within the solar usage range. The UV-light easily decomposes MAPbI3, which adversely affects the performance of PSCs and is also limited and inefficient in their use.
Therefore, the main purpose of this study is to enhance the availability of UV-light used in the PSCs. Ultimately, I tried to increase the utilization of UVlight in sunlight and consequently improve the performance of the PSCs. Europium (Eu) from the Lanthanide group and Bathophenanthroline (Bphen) were synthesized a powder called Eu-complex that converts the UV-light into the visible-light. This conversion is referred to down-conversion. The downconversion mechanism allows more sunlight to be utilized, thus allowing more light to be harvested, resulting in more effects when introduced into the PSCs. It was confirmed that the performance and power conversion efficiency increased, compared to the reference cell. As a result, the Eu-complex was shown to enhance the light-harvesting of the PSCs and to raise the stability of the UV region through the down-conversion process.

국문 초록 (Abstract)

최근에는, 많은 장점을 바탕으로 유-무기 할로겐화 납 페로브스카이트는 다방면으로 사용되고 있으며, 그 중 태양 전지 적용 시 태양광 성능에 뛰어난 특성을 나타낸다. 또한, 저비용 제조 및 저온 용액 공정이 가능하며 적절한 밴드 갭을 가지고 있어 차세대 태양 전지 소재로 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다. CH3NH3PbI3 (MAPbI3) 페로브스카이트 태양 전지는 기존 태양 전지에 비해 효과적인 태양 광 활용과 높은 태양 효율을 보여주지만 외부 환경 (온도, 습도, 빛 등)의 영향을 크게 받는다. 따라서 페로브스카이트 소재의 안정성을 높이고 페로브스카이트 태양 전지의 열화를 방지하기 위한 연구가 필요하다. 태양 전지의 에너지원으로 사용되는 태양 광의 유용성과 다음과 같은 문제도 해결되어야 한다. 페로브스카이트 태양 전지에 들어오는 태양 광의 범위는 대부분 자외선에서 적외선까지 넓은 파장 영역에 있지만 주로 사용되는 파장대의 영역은 가시광으로 실제 들어오는 태양 광의 약 절반이다. 불행히도 MAPbI3의 페로브스카이트 태양 전지는 효과적인 태양 광 성능을 보여주지만, 태양 광 사용 범위내에서 자외선 영역에서 낮은 사용률과 불안정성을 나타냅니다. 자외선은 MAPbI3를 쉽게 분해하여 페로브스카이트 태양 전지의 성능에 악영향을 미치며 사용이 제한되고 비효율적이다.
따라서, 이 연구의 주된 목적은 페로브스카이트 태양 전지에 사용되는 자외선의 가용성을 높이는 것이다. 궁극적으로 태양 광에서 자외선의 활용도를 높이고 결과적으로 광전지 성능을 향상시키려는 노력을 하였다. 란타나이드 계열의 Europium (Eu) 과 Bathophenanthroline (Bphen)은 자외선 빛을 가시광선으로 변환하는 Eu-복합체라는 분말을 합성하였다. 이 변환을 하향-변환이라고 칭한다. 하향-변환 메커니즘은 더 많은 태양광을 활용할 수 있게 하여 더 많은 광-수확을 할 수 있게 하며, 페로브스카이트 태양 전지에 도입될 때 더 많은 효과를 가져온다고 알려져 있다. 본 연구결과 Eu 기반 하향-변환은 기준 셀에 비해 전력 변환 효율이 증가한 것을 확인하였고, 따라서 Eu-복합체는 페로브스카이트 태양 전지의 광-수확을 향상시키고 하향 변환 과정을 통해 자외선 영역의 안정성을 높이는 것을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. General Background & Introduction 1
• 1. Photovoltaic device 1
• 1.1. Background of solar cells 1
• 1.2. Solar energy 2
• 2. PSCs 4
• 2.1. Structure and description of perovskite materials 4
• 2.2. Development process 7
• 2.3. Device structures 9
• 2.4. Correlation between light and perovskite 11
• 3. Down-conversion material 13
• 3.1. Classification of Europium 13
• 3.2. Properties of Eu 14
• 4. Introduction 16
• 4.1. Purpose of this research 16
• Chapter 2. Improved the performance of PSCs by external downconversion on Eu-complex film 17
• 1. Introduction 17
• 2. Experimental 19
• 2.1. Materials 19
• 2.2. Synthesis of CH3NH3I 20
• 2.3. Fabrication of PSCs 20
• 2.4. Synthesis of Eu-complex powder 23
• 2.5. Synthesis of Eu-complex film 23
• 2.6. Characterization 24
• 3. Results and discussion 26
• 4. Conclusions 44
• Chapter 3. Enhanced the performance of PSCs by internal downconversion on Eu-doped PEDOT:PSS layer 45
• 1. Introduction 45
• 2. Experimental 46
• 2.1. Materials 46
• 2.2. Preparation of PEDOT:PSS treated with Eu-complex solution 47
• 2.3. Fabrication of PSCs 48
• 3. Results and discussion 49
• 4. Conclusions 62
• Chapter 4. Summary & Future Works 63
• 1. Summary 63
• References 65
• Korean abstracts 72