Self-healing Photovoltaic Perovskite Materials and Devices
- Reference number
- SIP21-0044
- Project leader
- Moons, Ellen
- Start and end dates
- 220901-280831
- Amount granted
- 2 792 586 SEK
- Administrative organization
- Karlstad University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Potentially inexpensive metal halide perovskite solar cells (PSCs) have dominated recent photovoltaic (PV) research, due to the rapid growth of their power conversion efficiency (PCE) and their fast energy payback. The next major challenge for PSC technology is improving their long-term stability. This project aims to maximize the lifetime of PSCs by using the material’s self-healing abilities. We aim to understand the relations between self-healing of lead halide perovskite single crystals from light-induced degradation and the PCE recovery during day/night cycles in polycrystalline PSCs. Therefore, we will study self-healing in samples of increasing complexity, from polycrystalline films to partial devices and further to multi-layer full devices. The interfaces between perovskite and charge collection layers play a dual role, both as barriers for ion migration, and for retaining the degradation products, needed to reverse the degradation and heal the material. The proposed research unites expertise on non-destructive materials and interface characterisation (KAU, WIS) with device studies (BGU, KAU). The outcome of the project will guide the way to new self-healing photovoltaic materials and device architectures and can stimulate broader academic and industrial R&D cooperation between Israel and Sweden in areas as printed electronics, detectors, optoelectronics, and advanced surface analysis equipment.
Popular science description
Elektroniska komponenter, som solceller och lysdioder, degraderar oftast över tid. De är gjorda av halvledarmaterial, som är grunden för all elektronik, datorer, mobiltelefoner och skärmar. Det vore enormt värdefullt, inte minst från ett miljöperspektiv, om elektronik kunde reparera sig själv. En sådan förmåga kan låta som science fiction, men faktum är att självläkning (engelska self-healing) har observerats i vissa material. En ny klass av halvledarmaterial som har visat sådan förmåga är metallhalidperovskiter (MHP). MHP används till högeffektiva solceller och lysdioder. Exempelvis har en av de israeliska forskargrupperna (BGU) som deltar i projektet visat att solceller av MHP, som degraderar i solljus, kan återfå sin effektivitet på natten, när det är mörkt. Den andra israeliska forskargruppen (WIS) har visat att enkristaller av blyhalidperovskiter som har utsatts för starkt laserljus och på grund av detta har tappat förmågan att lysa, återfår sin fotoluminescens efter en vilotid i mörkret. Även om de två observationerna, den ena i solcellens multikristallina tunna skikt och den andra i enkristaller, verkar kunna vara besläktade, så saknas grundläggande förståelse för relationen mellan dessa fenomen. För att förstå hur självläkning i MHP-material fungerar, kommer vi i detta projekt att studera olika sorters prover. Vi kommer att tillverka tunna filmer av MHP, solceller och även något mittemellan, nämligen en slags halvfärdig solcell, där ett lager av annat material läggs på perovskitmaterialet, i likhet med laddningstransportlagren i en färdig solcell. Kontaktlagrens roll i att hindra joner och nedbrytningsprodukterna från att lämna perovskiten kommer att undersökas. Dessa nedbrytningsprodukter kan på så vis återanvändas för att vända om processen och läka MHP-materialet. Genom samarbetet med den svenska forskargruppen kommer forskarlaget att använda sig av icke-destruktiva analysmetoder för ta reda på vilka bindningar i materialet som ändrar sig vid nedbrytning och läkning, samt vad dessa ändringar har för effekt på materialets elektroniska egenskaper. På lång sikt kommer projektet att visa vägen mot nya självläkande halvledarmaterial som kan återställa sina egenskaper efter degradering. Det vi lär oss om självläkande halvledarelektronik förväntas ha ett stort värde för framtida förnybar energikällor, samt för att utveckla hållbar elektronik utan slöseri med resurser.