Fabrication of perovskite solar cells using ultrasonic spray coating

Abstract

Perovskite solar cells (PSCs) are one of the most prominent research field for the last decade in photovoltaic technology. From 3.8 percent in 2009 to 25.7 percent in 2021 in single-junction architectures, and to 29.8 percent in silicon-based tandem cells, solar cell efficiencies of laboratory-scale devices using these materials have increased, surpassing the maximum efficiency achieved in single-junction silicon solar cells. Therefore, as of now, perovskite solar cells represented the solar technology that was developing the fastest. Perovskite solar cells have gained commercial appeal thanks to their extremely low production costs and promise for even higher efficiency. Their short- and long-term stability are key issues and research topics. In this context, the development of scalable perovskite solar cell fabrication has become essential. A novel ultrasonic spray casting technique is employed by incorporating hot nitrogen gas blowing as a scalable deposition method. We tried to optimize the perovskite film crystallization by applying our technique. With the help of our hot nitrogen gas blowing pipe we are able to enhance the nucleation process and at a desired levels. These investigations are supported by characterization tools such as optical microscope, scanning tunneling microscope, and current-voltage measurement. MAPb(I1-xBrx)3 precursor solution containing DMF and DMSO as solvent was used in our experiments. We examined the effect on the surface roughness change by adjusting the DMF and DMSO ratios. Finally, we construct a device of FTO/ c-TiO2/ m-TiO2/ MAPb(I1-xBrx)3/Spiro-OMeTAD/Au architecture and able to investigate the electrical characteristic of under dark and illumination.

Perovskit güneş hücreleri (PGH'ler), fotovoltaik teknolojisinde son on yılın en önde gelen araştırma alanlarından biridir. 2009’da yüzde 3,8 den 2021’de tek eklemli mimarilerde yüzde 25.7’ye ve silisyum bazlı tandem hücrelerde yüzde 29,8’e, perovskit malzemeleri kullanalan laboratuvar ölçekli aygıtların güneş verimlilikleri tek eklemli silisyum güneş hücrelerinin verimliliklerini aşarak artı. Bu nedenle, şu an itibariyle perovskit güneş pilleri, en hızlı gelişen güneş teknolojisini temsil ediyor. Perovskite güneş pilleri, son derece düşük üretim maliyetleri ve daha da yüksek verimlilik vaatleri sayesinde ticari çekicilik kazanmıştır. Kısa ve uzun vadeli istikrarları kilit konular ve araştırma konularıdır. Bu bağlamda, ölçeklenebilir perovskite güneş pili üretiminin geliştirilmesi elzem hale geldi. Ölçeklenebilir bir kaplama yöntemi olarak sıcak nitrojen gazı üfleme dahil edilerek yeni bir ultrasonik sprey döküm tekniği kullanıldı. Tekniğimizi uygulayarak perovskite film kristalizasyonunu optimize etmeye çalıştık. Sıcak nitrojen gazı üfleme borumuz sayesinde nükleasyon sürecini istenilen seviyelerde iyileştirebilmekteyiz. Bu araştırmalar optik mikroskop, taramalı tünelleme mikroskobu ve akım-voltaj ölçümü gibi karakterizasyon araçlarıyla desteklendi. Deneylerimizde çözücü olarak DMF ve DMSO içeren MAPb(I1-xBrx)3 öncü çözeltisi kullanıldı. DMF ve DMSO oranlarını ayarlayarak yüzey pürüzlülüğü değişimi üzerindeki etkisini inceledik. Son olarak, FTO/c-TiO2/m-TiO2/MAPb(I1-xBrx)3/Spiro-OMeTAD/Au mimarisine sahip bir cihaz inşa ettik, ve karanlık ve aydınlatma altında elektriksel özelliklerini araştırabilildik.