Caracterização de células solares de perovskita utilizando as técnicas celiv e espectroscopia de impedância elétrica - Ramos Júnior, Roberto de Aguiar [UNESP] (2022)
Mesmo com o avanço das células solares a base de perovskita (CSPs) nos últimos anos, vários fatores demandam investigações a fim de que esta tecnologia atinja seu potencial comercial. Entre diversos fatores, o transporte elétrico, com várias questões peculiares e que impactam diretamente na eficiência do dispositivo e em seu tempo de vida, merece destaque e atenção especial. Neste âmbito, o uso de técnicas de caracterização elétrica avançadas é de extrema importância. Dentre as diversas técnicas que podem ser utilizadas, destacam-se a extração de portadores de carga por meio do aumento linear da tensão (CELIV) e a impedância de espectroscopia elétrica (EIE) por serem técnicas de simples aplicação e que podem ser utilizadas em dispositivos eletrônicos. Desta forma, esta tese explora o uso de CELIV e EIE em diferentes situações de células solares, objetivando contribuir para o entendimento de duas questões principais relacionadas ao transporte elétrico em CSPs: (i) o impacto de diferentes materiais na camada transportadora de elétrons (CTE) e (ii) como a concentração de brometo influencia no efeito de imersão da luz presente nas CSPs de cátions mistos. O estudo (i) utilizou células com arquitetura n-i-p com CTE compacta de Nb2O5 depositada por dois métodos: sputtering reativo e sol-gel-spin-coating. Nota-se um aumento da histerese nas células para amostras com CTE depositadas via spin-coating. Para investigar este efeito, foi realizado CELIV, foto-CELIV e EIE nas amostras. As mobilidades obtidas por foto-CELIV mostram uma dependência inversa com a rampa de tensão para ambas as amostras, e valores muito próximos e.g., 0,45 x 10-1 cm2 V-1s-1 e 0,38 x 10-1 cm2 V-1s-1 com rampa de 10000 Vs-1 para CSPs com CTE depositada por spin-coating e por sputtering reativo, respectivamente. Por outro lado, a densidade de portadores da amostra com CTE por sputtering reativo foi cerca de 1,1 vezes maior também para esta rampa de tensão. A explicação para este fenômeno de menor mobilidade, mas maior densidade de portadores mora no tempo de recombinação característico dos portadores. Os tempos de recombinação, calculados variando o tempo de delay entre o pulso de luz e a rampa de tensão são de 1,4 ± 0,1 µs e 25 ± 1,2 µs para a amostrada com CTE depositada por sputtering contra 0,4 ± 0,1 e 4,6 ± 0,9 para a amostra com CTE depositada via spin-coating. Notou-se também menor acúmulo de cargas nas interfaces da amostra com CTE depositada via sputtering. Estes resultados indicam que a histerese maior nas CSPs montadas sobre Nb2O5 depositado por spin-coating estão relacionados ao maior acúmulo de cargas nas regiões de interface, maior difusão iônica e tempos de recombinação menores que estas amostras possuem o que altera o balanço entre injeção e extração de portadores. A fim de resolver este problema dois passivadores diferentes foram usados nessas células: PMMA sobre a camada da perovskita e Mxenes no Nb2O5. Houve uma pequena redução na mobilidade, com o uso destes passivadores, de 2,89 x 10-2 cm2V-1s-1 para 0,987 x 10-2 cm2V-1s-1 e 1,1 x 10-2 cm2V-1s-1 para a amostra controle (CTE depositada via spin-coating) e para as melhores amostras com PMMA e Mxene, respectivamente. Entretanto, o uso de passivadores aumentou substancialmente os tempos de recombinação e diminuiu o acúmulo de cargas nas interfaces, melhorando a ECE das células. No estudo (ii) foram estudadas células com 5at% Br e 17at% Br ambas com imersão da luz. Os resultados apontaram uma mudança no mecanismo responsável pelo efeito da imersão da luz de acordo com a quantidade de Br, sendo que para o primeiro caso, o efeito a imersão da luz está ligado ao preenchimento de defeitos de bulk e deslocamento iônico uma vez que se observou diminuição do tempo de recombinação e aumento de mobilidade com o tempo de imersão da luz. Concentrações mais altas já possuem uma ativação diferente para o efeito a imersão da luz, uma vez que não há mudança evidente da mobilidade com o tempo de imersão da luz, nem no espectro C-f. Embora este resultado seja interessante, as causas desta mudança demandariam investigações adicionais para serem explicadas. Em conclusão, utilizando CELIV e EIE foi possível investigar a mudança de propriedades de transporte elétrico diferentes CSPs, levantando informações importantes que podem auxiliar na compreensão dos fenômenos investigados. Estas informações puderam ser levantadas graças ao potencial das técnicas, que usadas em conjunto levantam estudos complementares a respeito do transporte de cargas.