• Energy Research

The identification of recombination centers in perovskite solar cells is highly challenging.

We have designed and synthesised two new carbazole based self-assembled molecules as hole-selective layers (HSLs) in p–i–n perovskite solar cells achieving high efficiency and high stability.

AbstractTin is the frontrunner for substituting toxic lead in perovskite solar cells. However, tin suffers the detrimental oxidation of SnII to SnIV. Most of reported strategies employ SnF2 in the perovskite precursor solution to prevent SnIV formation. Nevertheless, the working mechanism of this additive remains debated. To further elucidate it, we investigate the fluoride chemistry in tin halide perovskites by complementary analytical tools. NMR analysis of the precursor solution discloses a strong preferential affinity of fluoride anions for SnIV over SnII, selectively complexing it as SnF4. Hard X‐ray photoelectron spectroscopy on films shows the lower tendency of SnF4 than SnI4 to get included in the perovskite structure, hence preventing the inclusion of SnIV in the film. Finally, small‐angle X‐ray scattering reveals the strong influence of fluoride on the colloidal chemistry of precursor dispersions, directly affecting perovskite crystallization.

Low toxicity and an ideal energy bandgap make 2D Ruddlesden-Popper tin-based halide perovskites a promising photovoltaic material. However, the disordered crystal orientation and the oxidation of S...

L'origine des faibles densités de défauts électriquement actifs dans la pérovskite aux halogénures de plomb (HaP), un facteur crucial pour leur utilisation dans le photovoltaïque, l'émission de lumière et la détection de rayonnement, reste un sujet de discussion, en partie à cause de la difficulté à déterminer ces densités. Ici, nous présentons une approche puissante pour évaluer les densités de défauts, basée sur la cartographie du champ électrique dans les cellules solaires fonctionnant à base de HaP. Les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires ont été déduites du profil de champ électrique, mesuré par courant induit par faisceau d'électrons (EBIC). La méthode EBIC a été utilisée plus tôt pour obtenir les premières preuves directes de la structure de jonction n-i-p, au cœur des cellules photovoltaïques efficaces à base de HaP, et plus tard par nous et d'autres pour d'autres études sur le HaP. Ce manuscrit comprend des résultats EBIC sur des coupes cellulaires éclairées (in operando) à plusieurs intensités lumineuses pour comparer les caractéristiques optoélectroniques de différentes cellules fabriquées par différents groupes dans plusieurs laboratoires. Nous appliquons ensuite un modèle de défaut simple et efficace à un seul niveau qui permet de dériver les densités (Nr) du défaut agissant comme centre de recombinaison. Nous trouvons Nr ≈ 1 × 1013 cm-3 pour les films mixtes HaP à base de bromure de plomb cation A et ∼1 × 1014 cm-3 pourMAPbBr3 (Cl). Comme les photocourants EBIC sont similaires au niveau de la masse de grains et des limites, nous suggérons que les défauts se trouvent aux interfaces avec des contacts sélectifs plutôt que dans le film HaP. Ces résultats sont pertinents pour les dispositifs photovoltaïques car les réponses EBIC distinguent clairement les dispositifs à haut rendement et les dispositifs à faible rendement. Les dispositifs les plus efficaces ont des structures n-i-p avec un film HaP proche de l'intrinsèque, et les contacts sélectifs dictent alors la force du champ électrique dans tout l'absorbeur HaP. El origen de las bajas densidades de defectos eléctricamente activos en la perovskita de haluro de Pb (HaP), un factor crucial para su uso en la energía fotovoltaica, la emisión de luz y la detección de radiación, sigue siendo un tema de discusión, en parte debido a la dificultad para determinar estas densidades. Aquí, presentamos un enfoque poderoso para evaluar las densidades de defectos, basado en el mapeo del campo eléctrico en células solares basadas en HaP que funcionan. Las longitudes de difusión del portador minoritario se dedujeron del perfil del campo eléctrico, medido por la corriente inducida por el haz de electrones (EBIC). El método EBIC se utilizó anteriormente para obtener la primera evidencia directa de la estructura de la unión n-i-p, en el corazón de las células fotovoltaicas basadas en HaP eficientes, y más tarde por nosotros y otros para estudios adicionales de HaP. Este manuscrito incluye los resultados de EBIC en secciones transversales de células iluminadas (in operando) a varias intensidades de luz para comparar las características optoelectrónicas de diferentes células hechas por diferentes grupos en varios laboratorios. A continuación, aplicamos un modelo de defecto simple y eficaz de un solo nivel que permite derivar las densidades (Nr) del defecto que actúa como centro de recombinación. Encontramos Nr ≈ 1 × 1013 cm-3 para películas HaP a base de bromuro de plomo de catión A mixto y ∼1 × 1014 cm-3 para MAPbBr3(Cl). Como las fotocorrientes EBIC son similares en el volumen y los límites del grano, sugerimos que los defectos están en las interfaces con los contactos selectivos en lugar de en la película HaP. Estos resultados son relevantes para los dispositivos fotovoltaicos, ya que las respuestas del EBIC distinguen claramente entre dispositivos de alta y baja eficiencia. Los dispositivos más eficientes tienen estructuras n-i-p con una película HaP casi intrínseca, y los contactos selectivos dictan la intensidad del campo eléctrico en todo el absorbente HaP. The origin of the low densities of electrically active defects in Pb halide perovskite (HaP), a crucial factor for their use in photovoltaics, light emission, and radiation detection, remains a matter of discussion, in part because of the difficulty in determining these densities. Here, we present a powerful approach to assess the defect densities, based on electric field mapping in working HaP-based solar cells. The minority carrier diffusion lengths were deduced from the electric field profile, measured by electron beam-induced current (EBIC). The EBIC method was used earlier to get the first direct evidence for the n-i-p junction structure, at the heart of efficient HaP-based PV cells, and later by us and others for further HaP studies. This manuscript includes EBIC results on illuminated cell cross sections (in operando) at several light intensities to compare optoelectronic characteristics of different cells made by different groups in several laboratories. We then apply a simple, effective single-level defect model that allows deriving the densities (Nr) of the defect acting as recombination center. We find Nr ≈ 1 × 1013 cm-3 for mixed A cation lead bromide-based HaP films and ∼1 × 1014 cm-3 for MAPbBr3(Cl). As EBIC photocurrents are similar at the grain bulk and boundaries, we suggest that the defects are at the interfaces with selective contacts rather than in the HaP film. These results are relevant for photovoltaic devices as the EBIC responses distinguish clearly between high- and low-efficiency devices. The most efficient devices have n-i-p structures with a close-to-intrinsic HaP film, and the selective contacts then dictate the electric field strength throughout the HaP absorber. لا يزال أصل الكثافات المنخفضة للعيوب النشطة كهربائيًا في Pb halide perovskite (HaP)، وهو عامل حاسم لاستخدامها في الخلايا الكهروضوئية وانبعاثات الضوء والكشف عن الإشعاع، موضع نقاش، ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة تحديد هذه الكثافات. نقدم هنا نهجًا قويًا لتقييم كثافات العيوب، بناءً على رسم خرائط المجال الكهربائي في الخلايا الشمسية العاملة القائمة على HAP. تم استنتاج أطوال انتشار الناقل الأقلية من ملف المجال الكهربائي، مقاسة بالتيار المستحث بحزمة الإلكترون (EBIC). تم استخدام طريقة EBIC في وقت سابق للحصول على أول دليل مباشر على بنية الوصلة n - i - p، في قلب الخلايا الكهروضوئية الفعالة القائمة على HaP، وبعد ذلك من قبلنا ومن قبل الآخرين لمزيد من دراسات HaP. تتضمن هذه المخطوطة نتائج EBIC على المقاطع العرضية للخلية المضيئة (في العمل) بعدة شدة ضوئية لمقارنة الخصائص الإلكترونية البصرية للخلايا المختلفة التي تصنعها مجموعات مختلفة في العديد من المختبرات. ثم نطبق نموذج عيب بسيط وفعال على مستوى واحد يسمح باشتقاق الكثافات (Nr) للعيب الذي يعمل كمركز إعادة التركيب. نجد Nr ≈ 1 × 1013 سم-3 لأفلام HAP المختلطة القائمة على بروميد الرصاص الكاتيوني و 1 × 1014 سم-3 لـ MAPbBr3(Cl). نظرًا لأن متغيرات EBIC الضوئية متشابهة في الجزء الأكبر من الحبوب والحدود، فإننا نقترح أن تكون العيوب في الواجهات مع جهات اتصال انتقائية بدلاً من فيلم HaP. هذه النتائج ذات صلة بالأجهزة الكهروضوئية حيث تميز استجابات EBIC بوضوح بين الأجهزة عالية الكفاءة ومنخفضة الكفاءة. تحتوي الأجهزة الأكثر كفاءة على هياكل n - i - p مع فيلم HaP قريب من الجوهري، ثم تحدد نقاط التلامس الانتقائية قوة المجال الكهربائي في جميع أنحاء ممتص HaP.

Abstract The stability of perovskite solar cells is a key issue for industrial development. One reason for this is the volatile organic methylammonium (MA) cation, which is prone to degas under elevated temperatures from the perovskite. At the same time, small amounts of MA are used for practically all highest performing solar cells. These compositions have also shown relatively promising stabilities. This raises the question of MA stability with respect to different, application-dependent stability requirements. Interestingly, MA stability was mainly studied on thin films that differ from full devices or with architectures which are also prone to degrade. Therefore, the degradation behavior on complete MA containing devices with a relatively stable architecture is required to quantify the long-term stability of MA. This enables to determine at which timescales MA is unstable and which role it can play in future compositions. If MA is indeed unstable at much longer timescales than previously recorded, it also indicates that more severe degradation pathways are currently underappreciated. Here, “weakest link” MAPbI3 solar cells show stability where devices retained 100% of their initial efficiency over 1000 h of aging under constant illumination and maximum power point tracking at 20 °C. At elevated temperatures of 50 and 65 °C, the devices retained 100% and 90% of their initial efficiency after 500 h of illumination, respectively. Impressively, at 95 °C the MAPbI3 device retained 85% of its initial efficiency after 500 h under constant illumination, which is some of the best stability data reported to date for MA. Thus, MA-containing devices require further studying. Nevertheless to achieve the necessary industrial lifetimes of more than 25 years, the complete removal of MA is a sensible precaution to systematically avoid any long-term risk factors.

Tin-halide perovskites have great potential as photovoltaic materials, but their performance is hampered by undesirable oxidation of Sn(ii) to Sn(iv). NMR proves DMSO to be a main cause of oxidation.