Lifetime analysis of dye and perovskite solar cells

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorMiettunen, Kati, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorTiihonen, Armi
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labNew Energy Technologiesen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorLund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2018-03-07T10:02:45Z
dc.date.available2018-03-07T10:02:45Z
dc.date.defence2018-04-06
dc.date.issued2018
dc.description.abstractDye 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.en
dc.description.abstractVäriaine- 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.fi
dc.format.extent96 + app. 76
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7880-9 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7879-3 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30196
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7880-9
dc.language.isoenen
dc.opnHinsch, Andreas, Dr., Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Germany
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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).
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries41/2018
dc.revLemmetyinen, Helge, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.revKorppi-Tommola, Jouko, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.subject.keywordphotovoltaicsen
dc.subject.keyworddye solar cellsen
dc.subject.keywordperovskite solar cellsen
dc.subject.keywordstabilityen
dc.subject.keywordlifetimeen
dc.subject.keywordaging testsen
dc.subject.keywordelectrolyteen
dc.subject.keywordaurinkosähköfi
dc.subject.keywordväriaineaurinkokennotfi
dc.subject.keywordperovskiittiaurinkokennotfi
dc.subject.keywordstabiiliusfi
dc.subject.keywordelinaikafi
dc.subject.keywordikääntymistestitfi
dc.subject.keywordelektrolyyttifi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleLifetime analysis of dye and perovskite solar cellsen
dc.titleVäriaine- ja perovskiittiaurinkokennojen elinaikatutkimuksiafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2018_03_07_klo_11_18
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526078809.pdf
Size:
8.32 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description: