Authors:	Bergmann, Victor Wolfgang
Title:	Inside Perovskite Solar Cells - Charges at Interfaces
Online publication date:	26-May-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Eine der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation ist die Solarzelle auf Perowskit-Basis. In den letzten 7 Jahren konnte ihr zertifizierter Wirkungsgrad auf unvergleichliche Weise gesteigert werden. Als relativ junge Technologie sind jedoch verschiedene Prozesse auf der Nanoskala an den Grenzflächen der dünnen Schichten innerhalb der Perowskit-Solarzelle nicht vollständig verstanden. Das bedeutendste Beispiel hierbei ist die Hysterese in den Strom-Spannungs-Kennlinien. Durch Anlegen einer externen Spannung oder durch einfaches Beleuchten der Solarzelle über ein Zeitintervall kann der Zustand einer Zelle so geändert werden, dass die Effizienz der Ladungsextraktion danach über mehrere Sekunden erhöht oder verringert wird. Vorschläge über die zugrunde liegenden Prozesse sind unter anderem bewegliche Ionen innerhalb der Perowskitschicht oder gespeicherte Ladungen an den Grenzflächen. Beide Prozesse haben gemeinsam, dass sie das elektrische Feld innerhalb der Zelle verändern und dadurch die Dynamik des Ladungsaustauschs an den Grenzflächen beeinflussen. Mit der Kelvinsonden-Kraftmikroskopie konnte ich die Verteilung der Kontaktpotentialdifferenz im Nanometerbereich über den Querschnitt für verschiedene Perowskit-Solarzellentypen abbilden. Aus der Kontaktpotentialdifferenz konnte ich die interne Potentialverteilung bestimmen, sowie das elektrische Feld und die korrelierte Ladungsverteilung berechnen. Bei gleichzeitigem Kontaktieren der Elektroden mit einer externen Spannungsquelle und der Beleuchtung mit einer Weißlichtquelle konnten sowohl der Gleichgewichtszustand der Zellen als auch die Änderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht werden. Durch kontinuierliches Messen über dieselbe definierte Linie auf dem Zellenquerschnitt wurden Änderungen der Kontaktpotentialdifferenz unter Stimulation der Solarzelle in Abhängigkeit der Zeit gemessen (Licht ein/aus, externe Vorspannung usw.). Ich beobachtete, dass in Perowskit-Solarzellen ein p-i-n-Übergang besteht. An den Grenzflächen der Perowskitschicht kann im Gleichgewicht durch eine Verschiebung von beweglichen Ionen und mobilen Ladungen eine Bänderverbiegung auftreten. Eine beim Herstellungsprozess unbeabsichtigte spontane Selbstdotierung der Perowskitschicht bestimmt dabei das Verhältnis der Bandverbiegung an den beiden Grenzflächen der Perowskitschicht. Da diese Verbiegung der Bänder die Ladungsextraktion beeinflusst, trat in den meisten Zellen eine ungleiche Rekombination von Ladungsträgern an den jeweiligen Grenzflächen auf, die zu einer höheren Dichte von Löchern innerhalb der Perowskitschicht unter Betriebsbedingungen führte. Mit der zeitabhängigen Analyse der dynamischen Prozesse konnte ich zwischen elektronen- und ionenbasierten Prozessen unterscheiden. Durch den Vergleich der Zeitkonstanten aus den Änderungen des gemessenen Stroms mit den Änderungen der Potentialverteilung konnte die Verschiebung der Ionen direkt mit der Hysterese in den IV-Eigenschaften in Verbindung gebracht werden. Meine Arbeit gibt einen Überblick über die Verteilung des elektrischen Potentials innerhalb verschiedener Perowskit-Solarzellen und die verschiedenen Prozesse, die diese beeinflussen können. Diese Prozesse können sich direkt auf die Betriebsbedingungen und die Vorschaltungszustände einer Zelle auswirken. Mit den Erkenntnissen aus meiner Arbeit können nun interne Prozesse besser zugeordnet werden und Zellen auf Grund ihres Ansprechverhaltens kategorisiert werden. The most promising next-generation photovoltaic device is the perovskite based solar cell. Over the past 7 years, their certified power conversion efficiency increased dramatically. As a relatively young system, the device physics of various nanoscale processes at the interfaces of the thin layers within an operating perovskite solar cell remain unclear. The most significant example of such a process is the hysteresis in the current-voltage characteristics. By applying an external voltage or illuminating the device for several tens of seconds, the state of the charge extraction dynamics can be modified in a way that requires some time for the cell to get back into equilibrium after switching off the external stimulus. Suggestions about the underlying processes include a migration of ions inside the perovskite layer or trapped charges at the interfaces. Both processes have in common, that the electric field within the device is changing and with it the dynamics of charge extraction at the interfaces are affected. To detect the processes at the interfaces it is necessary to introduce a technique, which can access to the inner layer structure and is able to resolve these on a nanoscale. With cross-sectional Kelvin probe force microscopy, I was able to image the distribution of the contact potential difference (CPD) on a nanoscale within various types of perovskite solar cells. From the CPD I could determine the potential distribution as well as calculate the electric field and the correlated charge distribution. With a broad band white light and connections of the electrodes to an external voltage source, the equilibrium state and changes under different operating conditions could be studied. By continuously scanning over the same defined line on the cell’s cross-section, time-resolved changes in the CPD upon stimulating the device were measured (e.g. light on/off, external bias, etc.). I observed that a p-i-n junction is present within a perovskite solar cell. Band bending at the interfaces of the active layer can appear in equilibrium due to migrating ions and mobile charges, which are driven towards the interfaces upon the influence of the built-in electric field. Depending on the fabrication process, unintentional self-doping of the perovskite layer determines the proportion of the band bending between both interfaces of the perovskite layer. As this band bending impacts the charge extraction, an imbalanced interfacial recombination occurred in most cells, which lead to an accumulation of holes inside the perovskite layer under operating conditions. With a time-dependent analysis, I was able to distinguish between dynamic electronic charge and ion-based processes. By comparing the time constant of the changes in the current output with the changes in the CPD distribution the located process of migrating ions could be directly connected with the hysteresis in the IV-characteristics. My study gives an overview over the distribution of the electric potential and the various processes that can alter it within different kinds of perovskite solar cells. These processes have a direct effect on the operating conditions and the preconditioning states of a cell. With the new knowledge about the effects of preconditioning or self-doping, external observations can now be correctly correlated with the internal processes.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1646
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000035296
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	x, 151 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen