Lifetime analysis of dye and perovskite solar cells

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-04-06
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
96 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 41/2018
Abstract
Dye solar cells (DSCs) and perovskite solar cells (PSCs) are promising future photovoltaics technologies. They demonstrate promise in terms of lower costs and mass-production and could thus help transform photovoltaics into a mainstream energy option. Many applications of photovoltaics, such as building integration, require a lifetime of decades to be economically sensible. This work focuses on understanding the aging mechanisms and extending the lifetime of DSCs and PSCs. In DSCs, the insufficient stability of the electrolyte component is a major weakness. Commonly applied liquid electrolytes are difficult to seal reliably into the cell. Thus, a method for sealing large-area cells utilizing nanocellulose aerogel membranes was developed in this work. The main stability challenge is the diminution of charge carriers in electrolyte (i.e., electrolyte bleaching) when the cells are exposed to environmental stress factors. In this work, purification of electrolyte solvent was observed to halve the progress of bleaching when the cells were exposed to ultraviolet light (UV). Also the application of a UV filter and the change of the redox couple from iodine to cobalt complex effectively suppressed the bleaching. Cobalt complex electrolytes have been regarded as unstable but here it was detected for the first time that the cobalt complex bleaches at a slower rate in comparison to the traditional iodine electrolyte. A perovskite precursor ink was developed in this work for printing carbon based PSCs. In this respect, all the material layers of the cell were manufactured accurately using upscalable methods. Perovskite decomposition under humidity or UV is a major aging mechanism. Here, the exceptionally stable PSCs prepared here were shown to withstand these stress factors in accelerated aging tests for one thousand hours. Also a photographing method was applied to explore perovskite decomposition. A survey of the state-of-the-art degradation studies of PSCs and DSCs revealed insufficient reporting and experimental procedures. Therefore, improved procedures were elaborated upon in this work, which also could contribute to improving the lifetime of DSSC and PSC solar cells.

Väriaine- ja perovskiittiaurinkokennot ovat lupaavia tulevaisuuden aurinkosähköteknologioita. Niiden avulla aurinkosähköstä voi tulla energiantuotannon valtavirtaa, kun kennot ovat nykyistä edullisempia ja helpommin teollisessa mittakaavassa valmistettavia. Monissa sovelluksissa, kuten rakennusintegraatiossa, kennoilta vaaditaan jopa vuosikymmenien elinikää, jotta investointi olisi taloudellisesti kannattava. Tässä työssä syvennytään väriaine- ja perovskiittiaurinkokennojen ikääntymismekanismien ymmärtämiseen ja eliniän kasvattamiseen. Stabiiliuden kannalta väriainekennojen heikko lenkki on niiden elektrolyytti. Yleisesti käytettyjen nestemäisten elektrolyyttien sulkeminen kennoon luotettavasti on hankalaa, joten työssä kehitettiin tähän tarkoitukseen suurille kennoille soveltuva, nanoselluloosa-aerogeelimatriisia hyödyntävä menetelmä. Stabiiliuden päähaasteena on elektrolyytin varauksenkuljettajien väheneminen (nk. elektrolyytin vaalentuminen) ympäristön rasitteille altistettuna. Tässä työssä havaittiin, että elektrolyytin liuottimen puhdistaminen puolittaa pääasiallisen ikääntymismekanismin eli elektrolyytin vaalentumisen nopeuden ultraviolettivalolle (UV) altistetuissa kennoissa. Myös UV-suodattimen käytön sekä redox-parin vaihtamisen jodista kobolttikompleksiin havaittiin tehokkaasti hidastavan elektrolyytin vaalenemista. Työssä havaittiin ensimmäistä kertaa, että epästabiiliksi mielletty kobolttikompleksielektrolyytti vaalentuu perinteistä jodielektrolyyttiä hitaammin UV-altistuksessa. Perovskiittikennoille kehitettiin työssä perovskiitin esiasteesta muste, joka soveltuu hiilipohjaisten kennojen valmistamiseen tulostamalla. Näin kennojen kaikki materiaalikerrokset voitiin valmistaa tarkasti laajamittaiseen tuotantoon soveltuvilla menetelmillä. Perovskiittikennoissa merkittävä ikääntymismekanismi on perovskiitin hajoaminen kosteus- tai UV-altistuksessa. Valmistettujen poikkeuksellisen stabiilien kennojen osoitettiin kestävän näitä rasitteita tuhannen tunnin kiihdytetyissä ikääntymistesteissä. Samalla tutkittiin perovskiitin hajoamista valokuvausmenetelmää käyttäen. Työssä analysoitiin perovskiitti- ja väriainekennojen ikääntymistestien laatua viimeaikaisen kirjallisuuden perusteella. Analyysi paljasti puutteellisia kokeellisia menettelyitä sekä riittämätöntä raportointia, joten tässä työssä määriteltiin keinoja ikääntymistestien tason parantamiseen. Laadukkaammat ikääntymistestit voivat edesauttaa väriaine- ja perovskiittikennojen stabiiliuden kasvattamista tulevaisuudessa.
Description
Supervising professor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Miettunen, Kati, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
photovoltaics, dye solar cells, perovskite solar cells, stability, lifetime, aging tests, electrolyte, aurinkosähkö, väriaineaurinkokennot, perovskiittiaurinkokennot, stabiilius, elinaika, ikääntymistestit, elektrolyytti
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Tiihonen, K. Miettunen, S. Rendon, D. Mavrynsky, J. Halme, R. Leino, P.D. Lund. The effect of electrolyte purification on the performance and long-term stability of dye-sensitized solar cells. Journal of The Electrochemical Society, 162 (9), H661-H670, 2015. Full text at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201804042051.
    DOI: 10.1149/2.0671509jes View at publisher
  • [Publication 2]: A. Tiihonen, K. Miettunen, S. Rendon, D. Mavrynsky, A. Poskela, M.I. Asghar, J. Halme, R. Leino, P.D. Lund. The effect of dye purification on performance and lifetime of dye-sensitized solar cells. In 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Amsterdam, 1513 - 1518 (2014).
  • [Publication 3]: K. Miettunen, A. Poskela, A. Tiihonen, S. Rendon, K. Axenov, L. Kronberg, R. Leino, P.D. Lund. From identification of electrolyte degradation rates to lifetime estimations in dye solar cells with iodine and cobalt redox couples. Nano Energy Systems, 1 (2), 29-41 (2017). Full text at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201804042044.
    DOI: 10.24274/nes.2016.a7 View at publisher
  • [Publication 4]: K. Miettunen, J. Vapaavuori, A. Tiihonen, A. Poskela, P. Lahtinen, J. Halme, P.D. Lund. Nanocellulose aerogel membranes for optimal electrolyte filling in dye solar cells. Nano Energy, 8, 95-102 (2014). Full text at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201602041250.
    DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.05.013 View at publisher
  • [Publication 5]: S.G. Hashmi, D. Martineau, X. Li, M. Özkan, A. Tiihonen, M.I. Dar, T. Sarikka, S.M. Zakeeruddin, J. Paltakari, P.D. Lund, M. Grätzel. Air processed inkjet infiltrated carbon based printed perovskite solar cells withhigh stability and reproducibility. Advanced Materials Technologies, 2 (1), 1600183 (2017).
    DOI: 10.1002/admt.201600183 View at publisher
  • [Publication 6]: S.G. Hashmi, A. Tiihonen, D. Martineau, M. Özkan, P. Vivo, K. Kaunisto, U. Vainio, S.M. Zakeeruddin, M. Grätzel. Long term stability of air processed inkjet infiltrated carbon-based printed perovskite solar cells under intense ultra-violet light soaking. Journal of Materials Chemistry A, 5, 4797-4802 (2017). Full text at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201711217667.
    DOI: 10.1039/C6TA10605F View at publisher
  • [Publication 7]: A. Tiihonen, K. Miettunen, J. Halme, S. Lepikko, A. Poskela, P.D. Lund. Critical analysis on the quality of stability studies of perovskite and dye solar cells. Energy & Environmental Science, 2018, Advance Article, Full text at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201804042067.
    DOI: 10.1039/C7EE02670F View at publisher
Citation