Fabricación de celdas híbridas con arquitectura planar basadas en compuestos metal-orgánicos con estructura perovskita

Abstract

En el presente trabajo se hicieron aportes a la síntesis y estudio de propiedades ópticas, eléctricas, morfológicas y estructurales de películas delgadas de compuestos híbridos metal-orgánicos con estructura perovskita, las cuales fueron usadas como capa activa en la fabricación de celdas solares. En primera instancia se diseñó, construyó e implementó un nuevo equipo para el crecimiento de películas delgadas por el método de evaporación física de las sales precursoras en ambiente de alto vacío (del orden de 10-5 mbar), todo el proceso de síntesis es monitoreado automáticamente gracias a un sistema basado en Instrumentación virtual (VI), que permite hacer un control electrónico de la temperatura de las fuentes de evaporación de los precursores, así como también de la tasa de deposición del material sobre el sustrato usando algoritmos PID y PWM desarrollados con el software LabView. En segundo lugar, con el reactor en funcionamiento y operando adecuadamente, se realizó un exhaustivo estudio del efecto que los distintos parámetros de síntesis (composición química, temperatura de sustrato, temperatura y tiempo de recocido) causan sobre las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas del material. Las variaciones en la composición química están asociadas con la fórmula característica de la perovskita: ABX3, donde A es el catión orgánico de metilamonio (MA) o formamidinio (FA), B es el catión metálico de plomo (Pb), y X3 es el anión haluro de yodo (I3) o una sustitución de átomos de yodo por átomos de bromo (I2Br). Para las diferentes composiciones analizadas, se emplearon los precursores: yoduro de metilamonio (CH3NH3I), yoduro de formamidinio ((NH2)2CHI), bromuro de metilamonio (CH3NH3Br) y yoduro de plomo (PbI2). La variación en la temperatura de sustrato se logra mediante un sistema de calentamiento y control de temperatura instalado en el porta-sustrato. El proceso de recocido se realiza posterior a la deposición y en una atmósfera de nitrógeno. Usando la técnica de difracción de rayos X (XRD) se obtuvo información relacionada con la fase, estructura cristalina, tensión (micro-estructura) y tamaño de cristalito de las muestras analizadas. Además se emplearon otras técnicas de caracterización tales como: medidas de transmitancia espectral, microscopía electrónica de barrido (SEM), fotoconductividad transiente, corriente estimulada térmicamente y espectroscopia de impedancia. Con base a los resultados obtenidos, se encontró que el equipo implementado y la ruta de síntesis basada en evaporación de precursores, permite crecer películas delgadas de CH3NH3PbI3 (MAPI), (NH2)2CHPbI3 (FAPI) y CH3NH3PbI2Br (MAPbI2Br) con un alto grado de reproducibilidad y con propiedades adecuadas para ser usadas como capa activa en celdas solares híbridas. Habiendo determinado las condiciones óptimas de síntesis de la capa activa fue posible dar cumplimiento al objetivo general del presente trabajo, que tenía como meta fabricar celdas solares de arquitectura planar empleando compuestos híbridos con estructura tipo perovskita, siendo el primer grupo de investigación en Colombia que ha fabricado con éxito celdas solares basadas en perovskitas. Los mejores resultados se obtuvieron con la celda de arquitectura: FTO/ZnO/MAPI/P3HT/Au, la cual presentó los siguientes parámetros de desempeño: Jsc=6.6 mA/cm2, Voc=1.2 V, FF=0.48 y η=7.5%, donde Jsc es la corriente de corto circuito, Voc el voltaje de circuito abierto, FF el factor de llenado y η la eficiencia de la celda.

Abstract: In this work we have made contributions to synthesis and study of optical, electrical, morphological and structural properties of hybrid organic/inorganic compounds with perovskite structure grown in thin films, which were used as active layer in solar cells manufacture. First, new equipment was designed, built and implemented for the thin films growth by physical evaporation method of precursor salts at high vacuum environment (around 10-5 mbar), synthesis process is automatically monitored thanks to virtual instrumentation (VI) system. PID and PWM algorithms developed in LabView software allow electronic control of evaporation sources temperature, and material deposition rate on the substrate. Secondly, with the reactor properly operating, an exhaustive study of effect that different synthesis parameters (chemical composition, substrate temperature and annealing) cause on the structural, morphological, optical and electrical properties was carried out. Variations in chemical composition are associated with perovskite characteristic formula: ABX3, where A is the organic cation: methylammonium (MA) or formamidinium (FA), B is the metal cation: lead (Pb), and X3 is the halide anion: iodine (I3) or a substitution of iodine by bromine atoms (I2Br). To achieve different compositions that were analyzed, the precursors were used: methylammonium iodide (CH3NH3I), formamidinium iodide ((NH2)2CHI), methylammonium bromide (CH3NH3Br) and lead iodide (PbI2). Variations in substrate temperature are achieved by a heating and temperature control system installed on the substrate holder. Annealing process is carried out after deposition in nitrogen atmosphere. Using X-ray diffraction technique (XRD), the information related to phase, crystalline structure, strain and crystallite size. In addition, other characterization techniques were used such as: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), spectral transmittance measurements, scanning electron microscopy (SEM), transient photoconductivity, thermally stimulated current (TSC) and impedance spectroscopy. Based on the results obtained, it was found that the implemented equipment and the synthesis route based on evaporation of precursors, allow to grow thin films of CH3NH3PbI3  MAPI, (NH2)2CHPbI3  FAPI and CH3NH3PbI2Br  MAPbI2Br with a high degree of reproducibility and with suitable properties to be used as an active layer in hybrid solar cells. With optimal conditions synthesis of active layer, it was possible meet the general objective, which aimed to manufacture solar cells of planar architecture using hybrid compounds with perovskite structure, being the first research group in Colombia that has successfully manufactured solar cells based on perovskites. The best results were obtained with the architecture cell: FTO/ZnO/MAPI/P3HT/Au, which shows the following performance parameters: = 6.6 mA/cm2 , = 1.2 V, = 0.48 and = 7.5%, where is the short circuit current, the open circuit voltage, the fill factor and the cell efficiency.