This thesis focuses on developing environmentally sustainable strategies to enhance the performance, stability, and scalability of PSCs, among the most promising PV technologies of the current scenario. The experimental results are organized in three sections, chapters 3 to 5, the first one employing bio-derived materials as components of the PSC device foreseeing the amelioration of the photoactive film characteristics combined with the engineering of device interfaces. In details, chapter 3 reports on the use of β-carotene and PHB, to improve the environmental stability and optoelectronic properties of perovskite films. β-carotene, which scavenges oxidizing species, mitigates perovskite degradation, leading to increased material stability and prolonged charge carrier lifetimes. Devices incorporating β-carotene achieve a PCE of 20%, highlighting its potential to improve the lifespan and sustainability of solar cells. Similarly, PHB, a biodegradable polymer, enhances the mechanical flexibility and crystalline quality of perovskite films, and surpasses the reference efficiency, achieving a PCE of 9.3%. This suggests the potential of PHB to contribute to the development of more sustainable, flexible, and eco-friendly perovskite-based devices. The second section is focused on the key role of device interfaces for fully inorganic CsPbI₃-based solar cells. The incorporation of PCBM as an interlayer between C₆₀ and CsPbI₃ enhances energy level alignment and reduces defects, contributing to more efficient charge transfer. Successively, the introduction of TTH as a novel interlayer further improves device performance, with a PCE of 8.12% surpassing the reference efficiency of 6%, by reducing interfacial recombination and facilitating efficient charge separation. These innovations demonstrate the potential to optimize perovskite-based devices for more sustainable energy solutions. Finally, in chapter 5 plasma-based treatments are explored as environmentally friendly surface modification methods for MAPbI3 perovskite films. Plasma treatments with gases like Ar and H₂ enhance device performance by selectively removing organic components and introducing chemical functionalities that improve the stability and efficiency of the interfaces. Unlike traditional chemical treatments, plasma-based methods offer a less invasive and potentially more eco-friendly approach to surface engineering. In conclusion, this thesis demonstrates the potential of combining bio-inspired additives, interlayer engineering, and plasma treatments to address key challenges in perovskite solar cell technology. These advancements not only improve the efficiency and stability of the devices but also pave the way for the development of more environmentally sustainable and scalable photovoltaic solutions, contributing to the global transition towards clean and renewable energy sources.
Passivation strategies for the optimization of perovskite solar cells / Russo, Francesca. - ELETTRONICO. - (2025). [10.60576/poliba/iris/russo-francesca_phd2025]
Passivation strategies for the optimization of perovskite solar cells
Russo, Francesca
2025
Abstract
This thesis focuses on developing environmentally sustainable strategies to enhance the performance, stability, and scalability of PSCs, among the most promising PV technologies of the current scenario. The experimental results are organized in three sections, chapters 3 to 5, the first one employing bio-derived materials as components of the PSC device foreseeing the amelioration of the photoactive film characteristics combined with the engineering of device interfaces. In details, chapter 3 reports on the use of β-carotene and PHB, to improve the environmental stability and optoelectronic properties of perovskite films. β-carotene, which scavenges oxidizing species, mitigates perovskite degradation, leading to increased material stability and prolonged charge carrier lifetimes. Devices incorporating β-carotene achieve a PCE of 20%, highlighting its potential to improve the lifespan and sustainability of solar cells. Similarly, PHB, a biodegradable polymer, enhances the mechanical flexibility and crystalline quality of perovskite films, and surpasses the reference efficiency, achieving a PCE of 9.3%. This suggests the potential of PHB to contribute to the development of more sustainable, flexible, and eco-friendly perovskite-based devices. The second section is focused on the key role of device interfaces for fully inorganic CsPbI₃-based solar cells. The incorporation of PCBM as an interlayer between C₆₀ and CsPbI₃ enhances energy level alignment and reduces defects, contributing to more efficient charge transfer. Successively, the introduction of TTH as a novel interlayer further improves device performance, with a PCE of 8.12% surpassing the reference efficiency of 6%, by reducing interfacial recombination and facilitating efficient charge separation. These innovations demonstrate the potential to optimize perovskite-based devices for more sustainable energy solutions. Finally, in chapter 5 plasma-based treatments are explored as environmentally friendly surface modification methods for MAPbI3 perovskite films. Plasma treatments with gases like Ar and H₂ enhance device performance by selectively removing organic components and introducing chemical functionalities that improve the stability and efficiency of the interfaces. Unlike traditional chemical treatments, plasma-based methods offer a less invasive and potentially more eco-friendly approach to surface engineering. In conclusion, this thesis demonstrates the potential of combining bio-inspired additives, interlayer engineering, and plasma treatments to address key challenges in perovskite solar cell technology. These advancements not only improve the efficiency and stability of the devices but also pave the way for the development of more environmentally sustainable and scalable photovoltaic solutions, contributing to the global transition towards clean and renewable energy sources.| File | Dimensione | Formato | |
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Descrizione: Questa tesi si concentra sullo sviluppo di strategie sostenibili dal punto di vista ambientale per migliorare le prestazioni, la stabilità e la scalabilità delle celle solari a perovskite (PSC), una delle tecnologie fotovoltaiche più promettenti del panorama attuale. I risultati sperimentali sono organizzati in tre sezioni, corrispondenti ai capitoli dal 3 al 5. La prima sezione prevede l’impiego di materiali di origine biologica come componenti del dispositivo PSC, con l’obiettivo di migliorare le caratteristiche del film fotoattivo, combinando tale approccio con l’ingegnerizzazione delle interfacce del dispositivo. Nel dettaglio, il capitolo 3 riporta l’utilizzo di β-carotene e PHB per migliorare la stabilità ambientale e le proprietà optoelettroniche dei film a perovskite. Il β-carotene, in quanto agente scavenger di specie ossidanti, mitiga la degradazione della perovskite, portando a una maggiore stabilità del materiale e a una durata prolungata dei portatori di carica. I dispositivi che incorporano il β-carotene raggiungono un’efficienza di conversione (PCE) del 20%, evidenziando il suo potenziale nel migliorare la durata e la sostenibilità delle celle solari. Allo stesso modo, il PHB, un polimero biodegradabile, migliora la flessibilità meccanica e la qualità cristallina dei film a perovskite, superando l’efficienza del campione di riferimento e raggiungendo un PCE del 9,3%. Ciò suggerisce il potenziale del PHB nel contribuire allo sviluppo di dispositivi a perovskite più sostenibili, flessibili ed ecocompatibili. La seconda sezione è focalizzata sul ruolo chiave delle interfacce nei dispositivi solari completamente inorganici a base di CsPbI₃. L’inserimento del PCBM come strato intermedio tra C₆₀ e CsPbI₃ migliora l’allineamento dei livelli energetici e riduce i difetti, favorendo un trasferimento di carica più efficiente. Successivamente, l’introduzione del TTH come nuovo strato intermedio migliora ulteriormente le prestazioni del dispositivo, raggiungendo un PCE dell’8,12%, superiore a quello di riferimento del 6%, grazie alla riduzione della ricombinazione interfaciale e alla facilitazione della separazione efficiente delle cariche. Queste innovazioni dimostrano il potenziale per ottimizzare i dispositivi a perovskite verso soluzioni energetiche più sostenibili. Infine, nel capitolo 5, vengono esplorati i trattamenti al plasma come metodi ecocompatibili per la modifica superficiale dei film di perovskite MAPbI₃. I trattamenti al plasma con gas come Ar e H₂ migliorano le prestazioni dei dispositivi rimuovendo selettivamente componenti organici e introducendo funzionalità chimiche che aumentano la stabilità e l’efficienza delle interfacce. A differenza dei tradizionali trattamenti chimici, i metodi al plasma offrono un approccio meno invasivo e potenzialmente più rispettoso dell’ambiente per l’ingegnerizzazione delle superfici. In conclusione, questa tesi dimostra il potenziale della combinazione tra additivi di ispirazione biologica, ingegneria degli strati intermedi e trattamenti al plasma per affrontare le principali sfide nella tecnologia delle celle solari a perovskite. Questi progressi non solo migliorano l’efficienza e la stabilità dei dispositivi, ma aprono anche la strada allo sviluppo di soluzioni fotovoltaiche più sostenibili e scalabili, contribuendo alla transizione globale verso fonti di energia pulita e rinnovabile.
Tipologia:
Tesi di dottorato
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