Low cost, abundant, non-toxic and low temperature solution processable inorganic semiconductors for photovoltaic applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-12-03
Issue Year
2018
Authors
Khanzada, Laraib Sarfraz
Editor
Abstract

The sun is not only essential to life on earth but is also capable of meet-ing the growing energy demand of modern societies. Since their invention, solar cells have continuously gained in importance and effi-ciency. The development of low-temperature processing techniques with improved absorber layer properties is a key field of current photo-voltaics research. The main difficulty in the processing of colloidal nanocrystals (NCs) is the use of bulky and insulating surface ligands for stabilization. These surface ligands might develop energetic barriers between the NCs, usually during annealing, and may not only diminish charge transport but also yield film discontinuities. Therefore, in nano-particles synthesis for optoelectronic devices, an extra consideration should be given to optimization of electronic properties. Exchanging original long-chain organic ligands, for instance, oleylamine, oleic acid or tri-n-octylphosphine with short organic ligands or inorganic lig-ands leads to an increase in photoconductivity and charge carrier mo-bility. The improvement of charge carrier transport between copper-zinc-tin-sulfide (CZTS) NCs in thin films is achieved through substan-tial removal of OAm ligands utilizing the solvent-phase ligand removal strategy. Moreover, the successful incorporation of “ligand-free” CZTS nanoparticles as an effective, economical and non-toxic hole selective layer in perovskite PV devices is shown. The power conversion efficien-cy of perovskite devices is enhanced as a function of OAm-ligand re-moval from 12.2% to 15.4%. The improved charge transfer characteristics of short ligand CZTS colloidals is reflected by an FF of 81%, which is among the highest reported values for planar p-i-n perovskite solar cells.[1]

However, the complexity in processing poses a challenge for the mass production of ligand-exchange devices. Therefore, a low-temperature production method for CZTS nanostructured solar cells using metallic salt precursors in dimethyl sulfoxide (DMSO) solution is used. It is shown that a simple device structure, consisting of ITO/CZTS/CdS/Al, with an extremely thin absorber layer (∼110 nm) can produce a current density of 8.6 mA/cm2. For the fabrication of the active layer, a relative-ly short annealing step is adopted, thereby still forming a kesterite phase. The presented method has the advantage of being ligand-free, allowing the amalgamation of CZTS nanoparticles at the relatively low annealing temperature of 350 °C, which in turn facilitates charge transport all over the active layer. [2] Cu2O is also a low-cost material fulfilling the requirements of a sustain-able and nontoxic semiconductor. Flame spray pyrolysis is used to pro-duce single phase Cu2O NCs. Characterization techniques confirm the presence of cubic cuprite NCs, without the probable existence of detri-mental phases, i.e. CuO or metallic copper. The post-deposition ex-change of ligand is performed on annealed thin films, in order to effec-tively passivate the surface and reduce recombination in Cu2O nanopar-ticles. Above all, after surface passivation, a significant enhancement in the intensity of emissive excitonic states and prolongment in the lifetime of excitons near the band edge is evident by steady-state emission and transient absorption.[3] The approach of ligand removal and surface passivation is seemed to be an effective way to progress towards processing of semiconductor ab-sorber with substantial lesser electronic trap states within the band gap, which improves charge carriers transport. Thus, these strategies improve semiconductor materials for photovoltaic applications and other optoelectronic devices.

Abstract

Die Sonne ist nicht nur für das Leben auf der Erde unabdingbar, sie kann auch zur Deckung des steigenden Energiebedarfs moderner Gesellschaften beitragen. Seit ihrer Entwicklung haben Solarzellen stetig an Bedeutung und Effizienz gewonnen. Ein Schwerpunkt moderner Solarzellenforschung ist die Verbesserung der Eigenschaften der absorbierenden Schicht bei Niedertemperatur-Verarbeitungstechniken. Eine Herausforderung stellt dabei dar, dass kolloidale Nanopartikel meist durch große, isolierende Oberflächen-Liganden stabilisiert werden, welche eine energetische Barriere zwischen den Nanokristallen bilden können. Diese Oberflächen-Liganden können nicht nur den Ladungstransport auf der Partikeloberfläche begrenzen sondern auch zu Unterbrechungen des Filmes bei moderaten Prozesstemperaturen führen. Nanopartikel für optoelektronische Anwendungen werden werden nicht nur in Bezug auf ihre Löslichkeit, sondern auch in Bezug auf ihre Leitfähigkeit optimiert. Der Ersatz langkettiger organischer Liganden, wie z.B. oleic acid (OA), tri-n-octylphosphine (TOP), oder oleylamine (OAm), durch kurzkettige organische, oder inorganische Liganden führt zu einer höheren Photoleitfähigkeit und Ladungsträgermobilität. Eine Verbesserung der Ladungsträgermobilität zwischen Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (CZTS) Nanokristallen in dünnen Filmen wird durch die Entfernung der Oam-Liganden aus der Lösungs-Phase erreicht. Dies führt zu einer Erhöhung der Photogenerations-Ausbeute in planaren Heterojunction-Solarzellen mit CZTS Nanokristallen als Absorptionsschicht. Des Weiteren wurde die erfolgreiche Einbringung von „ligand-freien“ CZTS Nanopartikeln als effektive, günstige und nicht toxische lochleitende Zwischenschicht in Perowskit-Solarzellen demonstriert. Es wurde gezeigt, dass die Effizienz von Perowskit-Solarzellen, in Abhängigkeit von der OAm-Liganden Entfernung, zwischen 12,2 % und 15,4% variiert. Dies spiegelt sich auch in einem hohen Füllfaktor von 81 % wieder, welcher einer höchsten publizierten Werten für planare p-i-n Perowskit-Solarzellen ist. Der komplexe Herstellungsprozess stellt jedoch eine Hürde für die Massenproduktion von Ligandenaustausch-Anordnungen dar. Deshalb wird für die Herstellung von CZTS-Nanopartikel-Solarzellen eine Niedertemperatur-Verarbeitungstechnik unter Nutzung eines Metallsalz Präkursors in einer Dimethylsulfoxid Lösung verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass mit einem einfachen Aufbau aus ITO/ CZTS/CdS/Al mit einer sehr dünnen Absorptionsschicht (~100nm) Stromdichten von 8,6 mA/cm2 erreicht werden können. Zur Herstellung der aktiven Schicht wurde ein relativ kurzer Glüh-Schritt in den Herstellungsprozess eingeführt, was immer noch zur Bildung einer Kesterit-Phase führt.Die gezeigte Methode hat den Vorteil frei von Liganden zu sein, was den CZTS Nanopartikeln selbst bei einer geringen Temperatur von 350 °C erlaubt zu Verschmelzen, was wiederum einen Ladungstransport durch die aktive Schicht ermöglicht. Cu2O ist ebenfalls ein günstiges Material, welches die Anforderungen an einen nachhaltigen und ungiftigen Halbleiter erfüllen kann. Einphasige Cu2O Nanokristalle werden durch Flammensprühpyrolyse hergestellt. Charakterisierungstechniken bestätigen die Bildung von kubischen Cuprit-Nanokristallen, ohne die Bildung der unerwünschten CuO und Cu Phasen. Der nachträgliche Austausch der Liganden wird, zur effektiven Passivierung der Oberfläche und Reduktion der Rekombination in den Cu2O Nanopartikeln, auf dem geglühten dünnen Film durchgeführt. Untersuchungen der stationären Emission und transienten Absorption zeigen, dass die Oberflächenpassivierung zu einer deutlichen Erhöhung/Veränderung der Intensität der exzitonischen p-Zustände, welche um die Kupfer- und Sauerstoffleerstellen zentriert sind, sowie der Lebenszeit der Exzitonen nahe der Bandkante führt.

DOI
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