IT201900005114A1 - Doping with 2D materials of photovoltaic multi-junction devices that include an absorber with perovskite structure - Google Patents

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IT201900005114A1
IT201900005114A1 IT102019000005114A IT201900005114A IT201900005114A1 IT 201900005114 A1 IT201900005114 A1 IT 201900005114A1 IT 102019000005114 A IT102019000005114 A IT 102019000005114A IT 201900005114 A IT201900005114 A IT 201900005114A IT 201900005114 A1 IT201900005114 A1 IT 201900005114A1
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Enrico Lamanna
Fabio Matteocci
Antonio Agresti
Sara Pescetelli
Luca Serenelli
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Carlo Aldo Di
Enrico Lamanna
Fabio Matteocci
Antonio Agresti
Sara Pescetelli
Mario Tucci
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Description

TITOLO TITLE

Doping con materiali 2D di dispositivi multi-giunzione fotovoltaici che includono un assorbitore con struttura a perovskite. Doping with 2D materials of photovoltaic multi-junction devices that include an absorber with perovskite structure.

3. CAMPO TECNICO 3. TECHNICAL FIELD

L’invenzione qui riportata riguarda dispositivi fotovoltaici (PV) tandem o a multigiunzione a 2 terminali (2T), nei quali uno o più materiali assorbitori che compongono la struttura finale del dispositivo è un materiale con struttura cristallina a perovskite e una formula chimica che includa cationi monovalenti organici o inorganici, metalli di transizione bivalenti e alogeni. The invention reported here relates to tandem or multi-junction 2-terminal (2T) photovoltaic (PV) devices, in which one or more absorbing materials that make up the final structure of the device is a material with a perovskite crystalline structure and a chemical formula that includes cations organic or inorganic monovalent, divalent transition metals and halogens.

4. DESCRIZIONE DELLE FIGURE 4. DESCRIPTION OF THE FIGURES

Figura 1 Rappresentazione schematica di una cella solare tandem che comprende una cella frontale (2), uno strato di ricombinazione (3), una cella posteriore (4) e gli elettrodi: frontale (1) e posteriore (5). Figure 1 Schematic representation of a tandem solar cell comprising a front cell (2), a recombination layer (3), a rear cell (4) and the electrodes: front (1) and rear (5).

Figura 2 Rappresentazione schematica di tutti gli strati di una cella solare a perovskite in cui grafene e/o materiali affini ad esso (GRM) sono inseriti all’interno del dispositivo. La struttura consiste di un substrato conduttivo (6), di due strati selettivi di carica con polarità opposta (7) e (11), i quali possono essere drogati (riempimento testurizzato nell’immagine) con GRM o materiali con struttura 2D, e infine un contro-elettrodo (13). A questa struttura di riferimento possono essere aggiunti strati opzionali (contorni tratteggiati) comprendenti GRM o materiali con struttura 2D come inter-layer, (8) e (11), o come strati protettivi (12). Figure 2 Schematic representation of all the layers of a perovskite solar cell in which graphene and / or related materials (GRM) are inserted inside the device. The structure consists of a conductive substrate (6), two charge-selective layers with opposite polarity (7) and (11), which can be doped (textured fill in the image) with GRM or 2D structure materials, and finally a counter electrode (13). Optional layers (dashed outlines) comprising GRMs or materials with 2D structure as inter-layer, (8) and (11), or as protective layers (12) can be added to this reference structure.

Figura 3 Rappresentazione schematica della cella solare tandem perovskite/silicio presentata nell’esempio. La descrizione dettagliata di tutti gli strati è inclusa nella sezione “Esempio”. Figure 3 Schematic representation of the perovskite / silicon tandem solar cell presented in the example. The detailed description of all the layers is included in the “Example” section.

Figure 4 Caratteristica JV di due celle tandem che includono una cella a perovskite (PSC) con drogaggio in grafene (curva continua) e la cella di riferimento senza drogaggio (curva tratteggiata). Figure 4 JV characteristic of two tandem cells including a graphene doped perovskite (PSC) cell (solid curve) and the non-doped reference cell (dashed curve).

5. BACKGROUND 5. BACKGROUND

La strategia più promettente per incrementare le prestazioni delle celle solari è basata su giunzioni multiple (multi-giunzioni). Per raggiungere questo obiettivo è importante l’impiego di materiali e processi a basso costo. The most promising strategy for increasing the performance of solar cells is based on multiple junctions (multi-junctions). To achieve this goal, the use of low-cost materials and processes is important.

Una cella solare multi-giunzione è una tecnologia fotovoltaica che, a differenza da quella a singola giunzione o singolo assorbitore, distribuisce l’assorbimento lo spettro elettromagnetico disponibile su diverse sotto-celle. A multi-junction solar cell is a photovoltaic technology that, unlike that with a single junction or single absorber, distributes the absorption of the electromagnetic spectrum available on different sub-cells.

Recentemente, M.A. Green ha mostrato che questi dispositivi fotovoltaici multi-giunzione basati su substrati di silicio hanno il potenziale di raggiungere efficienze fino al 42.5%. Ha sottolineato che la band-gap ottimale della cella frontale è di 1.7 eV per una struttura tandem (con due sotto-celle), nonostante ciò una cella con band-gap minore può essere utilizzata se presenta una trasparenza adeguata alla radiazione con lunghezza d’onda maggiore della sua band-gap. (Green et al., 2013) Recently, M.A. Green showed that these silicon substrate-based multi-junction photovoltaic devices have the potential to achieve efficiencies of up to 42.5%. He pointed out that the optimal band-gap of the front cell is 1.7 eV for a tandem structure (with two sub-cells), nevertheless a cell with a smaller band-gap can be used if it has adequate transparency for the radiation with length d ' wave greater than its band-gap. (Green et al., 2013)

Dal punto di vista operativo, si possono distinguere due tipi di configurazioni tandem: a 2 terminali (2T) e a 4 terminali (4T). From an operational point of view, two types of tandem configurations can be distinguished: 2-terminal (2T) and 4-terminal (4T).

In una architettura 2T, comunemente chiamata dispositivo tandem monolitico, la realizzazione di ciascuna sotto-cella avviene direttamente sopra alla cella sottostante, la quale funge da substrato. Ciò richiede una compatibilità di processo tra tutte le tecnologie impiegate. Un’ulteriore implicazione è che tutte le giunzioni saranno elettricamente collegate in serie. In a 2T architecture, commonly called monolithic tandem device, the realization of each sub-cell takes place directly above the underlying cell, which acts as a substrate. This requires process compatibility between all the technologies used. A further implication is that all junctions will be electrically connected in series.

La connessione serie impone che la stessa corrente scorra in tutta la struttura e la corrente finale generata dal dispositivo sarà determinata dalla sotto-cella meno performante. Per questo motivo, l’ottimizzazione delle sotto-celle mediante l’aumento della corrente, come spesso avviene per i dispositivi singola giunzione, risulta di difficile applicazione nei dispositivi PV tandem 2T. The series connection requires that the same current flow throughout the structure and the final current generated by the device will be determined by the least performing sub-cell. For this reason, the optimization of the sub-cells by increasing the current, as often happens for single junction devices, is difficult to apply in 2T tandem PV devices.

L’unico modo per incrementare ulteriormente la corrente della cella tandem consiste nell’aumentare simultaneamente le correnti generate in tutte le sotto-celle, evitando perdite ottiche parassitiche e perdite elettriche. Questa condizione viene definita “matching” di corrente. The only way to further increase the tandem cell current is to simultaneously increase the currents generated in all sub-cells, avoiding parasitic optical losses and electrical losses. This condition is called current matching.

Malgrado ciò, l’efficienza di dispositivi tandem 2T può essere migliorata agendo su altri due parametri, ovvero la tensione a circuito aperto (VOC) e il Fill Factor (FF). Despite this, the efficiency of 2T tandem devices can be improved by acting on two other parameters, namely the open circuit voltage (VOC) and the Fill Factor (FF).

La Fig.1 mostra una semplice multi-giunzione con due sotto-celle, cui si farà riferimento a seguire come cella frontale (2) e cella posteriore (4); tra di esse è posto lo strato di ricombinazione (3). Il contatto frontale (1) e quello posteriore (5) sono necessari per la raccolta della carica elettrica e per la sua successiva distribuzione al carico o al circuito collegato. Fig.1 shows a simple multi-junction with two sub-cells, which will be referred to below as front cell (2) and rear cell (4); between them is the recombination layer (3). The front contact (1) and the rear contact (5) are necessary for the collection of the electric charge and for its subsequent distribution to the load or to the connected circuit.

La tecnologia tandem o multi-giunzione impiega generalmente come cella posteriore (4) dispositivi basati su silicio cristallino (c-Si) o etero-giunzioni di silicio amorfo e cristallino (Si-HJ) o selenuro di rame indio e gallio (CIGS) o arsenuro di indio-gallio (InGaAs) o solfuro di rame zinco e stagno (CZTS), ma anche altri materiali e leghe. The tandem or multi-junction technology generally employs as back cell (4) devices based on crystalline silicon (c-Si) or hetero-junctions of amorphous and crystalline silicon (Si-HJ) or indium gallium copper selenide (CIGS) or indium-gallium arsenide (InGaAs) or copper zinc-tin sulphide (CZTS), but also other materials and alloys.

La maggior parte della letteratura riguardante dispositivi PV tandem con cella frontale (2) che include materiali con struttura cristallina a perovskite si basano su celle posteriori (4) in etero-giunzioni di silicio amorfo e cristallino (a-Si:H/c-Si) come recentemente mostrato da F.Sahli et al. (Sahli et al., 2018) o M. Jošt et al. (Jošt et al., 2018). Most of the literature concerning front cell tandem PV devices (2) including materials with perovskite crystal structure are based on hetero-junction cells (4) of amorphous and crystalline silicon (a-Si: H / c-Si ) as recently shown by F. Sahli et al. (Sahli et al., 2018) or M. Jošt et al. (Jošt et al., 2018).

Il vantaggio principale legato a questa tecnologia, che ha consentito di ottenere la più alta efficienza con dispositivi singola giunzione basati sul silicio sono le seguenti: The main advantage linked to this technology, which has allowed to obtain the highest efficiency with single junction devices based on silicon are the following:

1) Elevato potenziale legato alla struttura a bande energetiche degli emettitori a film sottile; 1) High potential linked to the energy band structure of thin film emitters;

2) Passivazione della superficie del silicio che può essere ottenuta introducendo strati sottili intermedi tra il silicio cristallino e il silicio amorfo drogato. 2) Passivation of the silicon surface which can be obtained by introducing intermediate thin layers between crystalline silicon and doped amorphous silicon.

Queste caratteristiche si riflettono in una maggiore VOC rispetto a quella delle tecnologie convenzionali basare su silicio. Questo effetto rappresenta un vantaggio in una configurazione tandem 2T nella quale la tensione in output è pari alla somma delle tensioni delle varie sotto-celle. These characteristics are reflected in a higher VOC than that of conventional silicon-based technologies. This effect represents an advantage in a 2T tandem configuration in which the output voltage is equal to the sum of the voltages of the various sub-cells.

I materiali con struttura a perovskite sono ideali come assorbitori nella cella frontale (2) grazie alle loro proprietà inusuali. La loro struttura garantisce la possibilità di inserire ioni di diverse dimensioni e risulta particolarmente resiliente alla formazione di vacanze nel reticolo cristallino. Grazie a questa versatilità, possono essere sintetizzati con un’estrema varietà di combinazioni di elementi chimici. Perovskite-structured materials are ideal as absorbers in the front cell (2) due to their unusual properties. Their structure guarantees the possibility of inserting ions of different sizes and is particularly resilient to the formation of vacancies in the crystal lattice. Thanks to this versatility, they can be synthesized with an extreme variety of combinations of chemical elements.

I progressi nel campo dei dispositivi fotovoltaici a perovskite basati su alogenuri di piombo con cationi organici e inorganici sono stati molto rapidi, con efficienze che raggiungono il 23.7% su dispositivi di piccola area e 17% su moduli con connessione serie, consentendo a questi materiali di competere con altre tecnologie fotovoltaiche a film sottile. Una PSC mostra un potenziale interno e una VOC maggiori, relativamente alla band-gap, rispetto a un dispositivo in silicio cristallino sotto illuminazione con luce visibile (400-800 nm). Advances in the field of perovskite photovoltaic devices based on lead halide with organic and inorganic cations have been very rapid, with efficiencies reaching 23.7% on small area devices and 17% on modules with series connection, allowing these materials to compete with other thin-film photovoltaic technologies. A PSC exhibits higher internal potential and VOC relative to the band-gap than a crystalline silicon device under visible light illumination (400-800 nm).

Sono state dimostrate molteplici architetture e la più attuabile per applicazioni multigiunzione risulta essere la struttura planare realizzata con tecniche di fabbricazione da soluzione a bassa temperatura. In questa struttura lo strato di perovskite agisce da assorbitore della radiazione ed è compreso tra due strati selettivi della carica elettrica. I processi a bassa temperatura sono un aspetto essenziale nell’integrazione delle perovskiti su celle in etero-giunzione di silicio (Si-HJ), poiché queste non possono sostenere temperature superiori ai 200°C senza incorrere in danneggiamento. Le proce dure generali per la fabbricazione di un dispositivo tandem sono descritte, ad esempio, nel brevetto WO2018221913A1, mentre per quanto riguarda i dispositivi a perovskite , vari processi relativi alla loro realizzazione sono stati dimostrati in vari brevetti, tra cui US20150249170A1. Multiple architectures have been demonstrated and the most feasible for multi-junction applications is the planar structure made with low temperature solution fabrication techniques. In this structure the perovskite layer acts as a radiation absorber and is between two selective layers of the electric charge. Low-temperature processes are an essential aspect in the integration of perovskites on silicon hetero-junction cells (Si-HJ), since these cannot withstand temperatures above 200 ° C without incurring damage. The general procedures for manufacturing a tandem device are described, for example, in the patent WO2018221913A1, while as regards the perovskite devices, various processes related to their realization have been demonstrated in various patents, including US20150249170A1.

La versatilità della perovskite per quanto riguarda la sua composizione chimica consente di progettare materiali con proprietà specifica, tra le quali elevata stabilità termica o chimica e varie proprietà ottiche o elettriche a seconda dell’applicazione. Recentemente, alogenuri ibridi organici-inorganici con struttura a perovskite, come ad esempio, ma non esclusivamente, lo ioduro di piombo e metilammonio ((CH3NH3)PbI3 a cui si fa riferimento comunemente come MAPI o MALI in lingue inglese) sono stati prodotti sostituendo cationi inorganici con cationi organici iso-valenti. Tali materiali sono stati largamente impiegati per via della loro semplicità di deposizione durante la fabbricazione di una cella solare. The versatility of perovskite as regards its chemical composition allows you to design materials with specific properties, including high thermal or chemical stability and various optical or electrical properties depending on the application. Recently, hybrid organic-inorganic halides with perovskite structure, such as, but not limited to, lead methylammonium iodide ((CH3NH3) PbI3 commonly referred to as MAPI or MALI in English languages) have been produced by substituting cations inorganic with iso-valent organic cations. Such materials have been widely used due to their simplicity of deposition during the manufacture of a solar cell.

Inoltre, le prestazioni del dispositivo tandem possono essere migliorate aggiustando la band-gap della perovskite mediante l’inserimento di bromo (Br) o altri alogeni nella struttura cristallina. Questa strategia consente di distribuire lo spettro in modo tale da raggiungere la condizione del “matching” di corrente e per incrementare la VOC dell’intero dispositivo tandem. La distribuzione dello spettro elettromagnetico non deve essere simmetrica in ciascuna sotto-cella, ma deve tenere in considerazione la risposta spettrale delle varie sottocelle alla radiazione, così da fare in modo che la corrente generata in ciascuna cella sia la stessa. Furthermore, the performance of the tandem device can be improved by adjusting the perovskite band-gap by inserting bromine (Br) or other halogens into the crystal structure. This strategy allows you to distribute the spectrum in such a way as to reach the condition of current "matching" and to increase the VOC of the entire tandem device. The distribution of the electromagnetic spectrum must not be symmetrical in each sub-cell, but must take into account the spectral response of the various sub-cells to the radiation, so as to ensure that the current generated in each cell is the same.

Al contempo, l’aggiustamento della band-gap ottenuto mediante l’aggiunta di bromo genera il cosiddetto effetto Hoke, che consiste nella segregazione durante l’illuminazione tra fasi ricche di bromo e fasi ricche di iodio all’interno del materiale assorbitore, ciò risulta in un aumento delle ricombinazioni non radiative assistite da stati trappola e, dunque, all’abbattimento delle prestazioni del dispositivo in condizioni operative. Questo effetto è stato trattato nel 2015 da Eric T. Hoke et al. (Hoke et al., 2015) At the same time, the adjustment of the band-gap obtained by adding bromine generates the so-called Hoke effect, which consists in the segregation during illumination between phases rich in bromine and phases rich in iodine within the absorber material, this results in an increase in non-radiative recombinations assisted by trap states and, therefore, in the reduction of the performance of the device in operating conditions. This effect was addressed in 2015 by Eric T. Hoke et al. (Hoke et al., 2015)

L’aumento della VOC e del FF di un dispositivo multi-giunzione può essere ottenuto mediante la passivazione delle interfacce con l’aggiunta di strati intermedi di spessore compreso tra 1 e 100 nm, tuttavia questi strati aggiuntivi potrebbero introdurre delle perdite ottiche dovute a riflessioni o assorbimenti indesiderati. Queste perdite ottiche potrebbero minare l’ottimizzazione del “matching” di corrente e, quindi, le prestazioni dell’intero dispositivo. A tal proposito il Grafene e altri materiali 2D sono stati utilizzati per aumentare l’efficienza dei dispositivi a perovskite. The increase in VOC and FF of a multi-junction device can be achieved by passivating the interfaces with the addition of intermediate layers of thickness between 1 and 100 nm, however these additional layers could introduce optical losses due to reflections or unwanted absorptions. These optical losses could undermine the optimization of the current "matching" and, therefore, the performance of the entire device. In this regard, Graphene and other 2D materials have been used to increase the efficiency of perovskite devices.

La struttura cristallina della grafite si presenta come una sovrapposizione di strati di grafene, tenuti insieme da legami di tipo Van der Waals con energia di circa 2 eV/nm<2>, che rende la grafite facilmente esfoliabile nella direzione parallela al piano cristallino, mediante l’applicazione di forze nell’ordine di 300 nN / mm<2>. The crystalline structure of graphite appears as a superposition of layers of graphene, held together by Van der Waals type bonds with an energy of about 2 eV / nm <2>, which makes the graphite easily exfoliated in the direction parallel to the crystalline plane, by means of the application of forces in the order of 300 nN / mm <2>.

Diverse tecniche possono essere utilizzate per separare i piani cristallini: tecniche fisiche di esfoliazione meccanica e tecniche chimiche di intercalazione di sostanze (acidi inorganici, sali, solventi, etc.) che portano alla separazione dei piani di grafene. Ulteriori tecniche di sintesi consistono nella crescita per deposizione chimica da vapore (CVD) su substrati metallici o cotture ad elevate temperature e trattamenti termici in vuoto del carburo di silicio (SiC). Different techniques can be used to separate the crystalline planes: physical techniques of mechanical exfoliation and chemical techniques of intercalation of substances (inorganic acids, salts, solvents, etc.) which lead to the separation of the graphene planes. Further synthesis techniques consist of growth by chemical vapor deposition (CVD) on metal substrates or firing at high temperatures and vacuum heat treatments of silicon carbide (SiC).

L’esfoliazione meccanica consiste nell’applicazione di una forza sulla superficie di cristalli di grafite altamente orientati (HOPG) per separare e svelare i piani cristallini fino a che non si ottiene un singolo strato di grafene. L’esfoliazione meccanica è la tecnica più semplice e accessibile per isolare fogli di grafene delle dimensioni di pochi micron. Tuttavia, è un metodo difficilmente industrializzabile. Mechanical exfoliation consists in the application of a force on the surface of highly oriented graphite crystals (HOPG) to separate and reveal the crystalline planes until a single layer of graphene is obtained. Mechanical exfoliation is the simplest and most accessible technique for isolating graphene sheets as small as a few microns. However, it is a difficult method to industrialize.

L’esfoliazione chimica, invece, consente di ottenere grafene, i composti in esso intercalati o l’ossido di grafene, mediante semplici reazioni chimiche o tecniche elettro-chimiche. Nello specifico, l’esfoliazione dell’ossido di grafite, un materiale che ha la stessa struttura lamellare della grafite, ma in cui alcuni atomi di carbonio sono legati all’ossigeno nella forma di gruppi idrossili o carbonili (o più raramente epossidi e carbossili) e in cui la distanza interlamellare è maggiore per via dell’ingombro sterico dell’ossigeno. Possiede una natura fortemente idrofilica, che consente di ottenere, mediante sonicazione o con altre tecniche, l’intercalazione di molecole d’acqua e, dunque, un’esfoliazione semplice e quasi completa (circa il 90%) del materiale in strati monoatomici di ossido di grafene (GO). Chemical exfoliation, on the other hand, makes it possible to obtain graphene, the compounds intercalated in it or graphene oxide, by means of simple chemical reactions or electro-chemical techniques. Specifically, the exfoliation of graphite oxide, a material that has the same lamellar structure as graphite, but in which some carbon atoms are bonded to oxygen in the form of hydroxyl or carbonyl groups (or more rarely epoxides and carboxyls) and in which the interlamellar distance is greater due to the steric hindrance of the oxygen. It has a strongly hydrophilic nature, which allows to obtain, through sonication or other techniques, the intercalation of water molecules and, therefore, a simple and almost complete exfoliation (about 90%) of the material in monoatomic oxide layers of graphene (GO).

Tuttavia, il GO è un materiale isolante in cui i legami con l’ossigeno devono essere rotti e quindi il carbonio deve essere ridotto al fine di avere proprietà simili a quelle del grafene. Si sono rivelati efficaci sia i metodi di riduzione chimici (usando idrazina, idrochinone, idruro di sodio e boro, o acido ascorbico), che i metodi termici, che metodi basati su radiazioni UV che producono materiali con conducibilità nell’ordine dei 100 S/cm. Malgrado ciò, i processi di riduzione spesso lasciano difetti nella struttura cristallina che degradano le proprietà elettroniche. However, GO is an insulating material in which the bonds with oxygen must be broken and therefore the carbon must be reduced in order to have properties similar to those of graphene. Both chemical reduction methods (using hydrazine, hydroquinone, sodium hydride and boron, or ascorbic acid), thermal methods, and methods based on UV radiation that produce materials with conductivity in the order of 100 S / cm. Despite this, the reduction processes often leave defects in the crystal structure that degrade the electronic properties.

Dispersioni colloidali di fogli di grafene sono state ottenute mediante esfoliazione da fase liquida in solventi organici. L’esfoliazione, favorita dalla sonicazione, avviene tramite l’interazione del solvente con gli strati di grafene ed è tanto più efficace quanto più l’energia di superficie del solvente è simile a quella del grafene. Ci sono diversi solventi che rispondono a queste caratteristiche, tra cui N-metilpirrolidone (NMP), N, N-dimetilacetammide (DMA), N, N-dimetilformammide (DMF), ��butirrolattone (GBL) etc. Questi metodi hanno delle rese di ottenimento di strati mono-atomici che raggiungono il 50% in peso, inoltre sono scalabili e versatili. Colloidal dispersions of graphene sheets were obtained by liquid phase exfoliation in organic solvents. The exfoliation, favored by sonication, occurs through the interaction of the solvent with the layers of graphene and is all the more effective the more the surface energy of the solvent is similar to that of graphene. There are several solvents that meet these characteristics, including N-methylpyrrolidone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMA), N, N-dimethylformamide (DMF), ��butyrolactone (GBL) etc. These methods have yields for obtaining mono-atomic layers that reach 50% by weight, moreover they are scalable and versatile.

Le funzionalizzazioni possono essere diverse e dipendono dal tipo di utilizzo del materiale all’interno di un dispositivo fotovoltaico, ad esempio l’ossido di grafene funzionalizzato con azoto (NGO) o con nano-particelle di titania, oppure l’ossido di grafene funzionalizzato con litio (GO-Li), o con cloro (GO-Cl), o con porfirine (GO-TPP), o con etilene-dinitrobenzolo (GO-EDNB), e altri. The functionalizations can be different and depend on the type of use of the material within a photovoltaic device, for example graphene oxide functionalized with nitrogen (NGO) or with nano-particles of titania, or graphene oxide functionalized with lithium (GO-Li), or with chlorine (GO-Cl), or with porphyrins (GO-TPP), or with ethylene-dinitrobenzole (GO-EDNB), and others.

Nello specifico, i GRM sono stati utilizzati per il doping dei contatti selettivi (Han et al., 2015; Luo et al., 2015; Umeyama et al., 2015) o come strato intermedio tra la perovskite e gli strati selettivi (Wu et al., 2014; Yeo et al., 2014) nella forma di ossidi di grafene (GO or rGO) ottenendo un aumento nella raccolta di cariche ai rispettivi elettrodi e, quindi, un aumento dell’efficienza. Nel caso delle celle solari a perovskite con struttura mesoporosa (nella quale il foto-elettrodo è responsabile della raccolta della cariche negative), l’ossido di grafene è stato impiegato come drogante nello strato mesoporoso in diverse pubblicazioni. Specifically, GRMs have been used for the doping of selective contacts (Han et al., 2015; Luo et al., 2015; Umeyama et al., 2015) or as an intermediate layer between perovskite and selective layers (Wu et al., al., 2014; Yeo et al., 2014) in the form of graphene oxides (GO or rGO) obtaining an increase in the collection of charges at the respective electrodes and, therefore, an increase in efficiency. In the case of perovskite solar cells with a mesoporous structure (in which the photo-electrode is responsible for collecting negative charges), graphene oxide has been used as a dopant in the mesoporous layer in several publications.

Hans e collaboratori (Acik & Darling, 2016) hanno dimostrato l’aumento di prestazioni in un dispositivo realizzando uno strato mesoporoso mediante un nanocomposito grafene-mTiO2 sintetizzato a partire da una polvere di grafite. Il dispositivo ottenuto aveva un’efficienza massima di 14.5% utilizzando una concentrazione pari al 0.4% in peso di rGO nella soluzione di mTiO2. Hans and collaborators (Acik & Darling, 2016) demonstrated the increase in performance in a device by creating a mesoporous layer using a graphene-mTiO2 nanocomposite synthesized from a graphite powder. The device obtained had a maximum efficiency of 14.5% using a concentration equal to 0.4% by weight of rGO in the mTiO2 solution.

Umeyama et al. (Umeyama et al., 2015) hanno utilizzato rGO per drogare sia lo strato compatto di titania, che quello mesoporoso, trovando una concentrazione ottimale di 0.15% e 0.015% in peso, rispettivamente per ciascuno strato. Umeyama et al. (Umeyama et al., 2015) used rGO to doping both the compact layer of titania and the mesoporous layer, finding an optimal concentration of 0.15% and 0.015% by weight, respectively, for each layer.

Dei nano-fiocchi di puro grafene sono stati inseriti nella soluzione di cTiO2 da Wang e coautori (Wang et al., 2014) con lo scopo di aumentare l’efficienza di dispositivi flessibili e ottenendo un massimo del 15.6%. In questo caso, lo strato mesoporoso è stato realizzato con alumina (Al2O3), materiale le cui temperature di processo sono maggiormente compatibili con i substrati plastici. Pure graphene nano-flakes were inserted into the cTiO2 solution by Wang and co-authors (Wang et al., 2014) with the aim of increasing the efficiency of flexible devices and obtaining a maximum of 15.6%. In this case, the mesoporous layer was made with alumina (Al2O3), a material whose process temperatures are more compatible with plastic substrates.

L’ossido di grafene nella sua forma ridotta (rGO) è stato recentemente utilizzato come drogante nello strato mesoporoso di titania insieme a dei sali di litio (Li-TFSI) in celle solari a perovskite con cationi misti (Formamidinio FA e Metilammonio MA) e anioni misti (iodio e bromo). Gli autori hanno ottenuto efficienze superiori a 19% (Cho et al., 2016). Graphene oxide in its reduced form (rGO) has recently been used as a dopant in the mesoporous layer of titania together with lithium salts (Li-TFSI) in mixed cation perovskite solar cells (Formamidinium FA and Methylammonium MA) and mixed anions (iodine and bromine). The authors achieved efficiencies greater than 19% (Cho et al., 2016).

In questo contesto, Agresti et al. hanno proposto una struttura di PSC efficiente introducendo ossido di grafene neutralizzato con litio (GO-Li) come strato intermedio tra la titania e l’assorbitore in perovskite. L’effetto dell’introduzione dello strato di GO-Li è stato l’aumento della corrente di corto circuito (Jsc) e del FF, influenzando positivamente la stabilità elettrica e termica del dispositivo, rispetto alle PSC di riferimento. In particolare, è stata osservata una migliore estrazione/iniezione di cariche al foto-elettrodo grazie all’impiego del GO-Li, il quale ha consentito la passivazione delle vacanze di ossigeno del mTiO2 che agiscono come centri reattivi quando il dispositivo è esposto all’umidità (Antonio Agresti, Pescetelli, Cinà, et al., 2016). In this context, Agresti et al. proposed an efficient PSC structure by introducing lithium neutralized graphene oxide (GO-Li) as an intermediate layer between the titania and the perovskite absorber. The effect of the introduction of the GO-Li layer was the increase of the short-circuit current (Jsc) and of the FF, positively influencing the electrical and thermal stability of the device, compared to the reference PSCs. In particular, a better extraction / injection of charges to the photo-electrode was observed thanks to the use of GO-Li, which allowed the passivation of the mTiO2 oxygen vacancies which act as reactive centers when the device is exposed to the humidity (Antonio Agresti, Pescetelli, Cinà, et al., 2016).

Inoltre, è stato recentemente riportata la possibilità di migliorare le prestazioni di un dispositivo mesoporoso utilizzando il grafene o altri materiali 2D correlati (GRM), integrandoli in processi per soluzione nella fabbricazione di PSC e facilmente riproducibili su larga scala per la produzione di moduli fotovoltaici e dispositivi a larga area. Nano-fiocchi di grafene sono stati inseriti per drogare la soluzione dei precursori di titania sia per lo strato compatto che per il mesoporoso, migliorando prestazioni e stabilità. Da un lato l’introduzione dei nano-fiocchi di grafene nel c-TiO2 ha ridotto la corrente di buio, diminuendo la resistenza serie e, quindi, migliorando il FF; dall’altro, le misure di foto-luminescenza (PL) sia stazionarie che con risoluzione temporale hanno rivelato una migliore morfologia dei cristalli nella titania drogata con grafene, portando ad un miglioramento della VOC e al miglioramento dell’estrazione di elettroni all’interfaccia perovskite/mTiO2+G (A. Agresti et al., 2017; Antonio Agresti et al., 2017; Antonio Agresti, Pescetelli, Taheri, et al., 2016; Biccari et al., 2017; Bonaccorso et al., 2012; Taheri et al., 2018). Furthermore, it has recently been reported that it is possible to improve the performance of a mesoporous device using graphene or other related 2D materials (GRM), integrating them into solution processes in PSC fabrication and easily reproducible on a large scale for the production of photovoltaic modules and large area devices. Graphene nano-flakes were inserted to dop the titania precursor solution for both the compact layer and the mesoporous, improving performance and stability. On the one hand, the introduction of graphene nano-flakes in c-TiO2 reduced the dark current, decreasing the series resistance and, therefore, improving the FF; on the other hand, both stationary and time-resolved photo-luminescence (PL) measurements revealed improved crystal morphology in graphene-doped titania, leading to improved VOC and improved electron extraction at the perovskite interface. / mTiO2 + G (A. Agresti et al., 2017; Antonio Agresti et al., 2017; Antonio Agresti, Pescetelli, Taheri, et al., 2016; Biccari et al., 2017; Bonaccorso et al., 2012; Taheri et al., 2018).

L’aggiunta di grafene ha anche migliorato la stabilità dei dispositivi prevenendo la diffusione di iodio dalla perovskite nello strato mesoporoso di titania, ritardando la degradazione dell’interfaccia e aumentando il tempo di vita dei dispositivi (Busby et al., 2018). The addition of graphene has also improved the stability of the devices by preventing the diffusion of iodine from perovskite into the mesoporous layer of titania, delaying the degradation of the interface and increasing the life time of the devices (Busby et al., 2018).

Un approccio simile è stato seguito da Cho et al. disperdendo rGO nel reticolo cristallino della titania per migliorare l’efficienza delle PSC fino al 19.54%. Questa strategia, abbinata al trattamento con sali di litio della titania mesoporosa ha migliorato il trasporto e l’iniezione delle cariche foto-eccitate (Cho et al., 2016). A similar approach was followed by Cho et al. dispersing rGO in the crystal lattice of titania to improve the efficiency of the PSCs up to 19.54%. This strategy, combined with the treatment of mesoporous titania with lithium salts, improved the transport and injection of photo-excited charges (Cho et al., 2016).

Nelle strutture planari il drogaggio dell’ossido di stagno SnO2 è stato effettuato da Zhao et al. incorporando grafene funzionalizzato con naftalina diimide nel SnO2 per aumentare l’idrofobicità della superficie e formare interazioni di van der Waals tra i surfattanti e la perovskite. Questa strategia ha consentito di raggiungere efficienze superiori al 20% (Zhao Xiaojuan et al., 2018). In planar structures, the doping of tin oxide SnO2 was carried out by Zhao et al. incorporating graphene functionalized with naphthalene diimide in SnO2 to increase the hydrophobicity of the surface and form van der Waals interactions between surfactants and perovskite. This strategy made it possible to achieve efficiencies above 20% (Zhao Xiaojuan et al., 2018).

Riguardo al drogaggio della perovskite con materiali 2D, del rGO drogato con azoto (N-rGO) è stato incorporato nella soluzione dei precursori della perovskite, la quale è stata poi depositata mediante spin-coating su titania mesoporosa. Gli autori della ricerca hanno attribuito l’aumento delle prestazioni (in termini di Jsc e FF) alla diversa morfologia caratterizzata da grani più grandi (e quindi ridotte dimensioni dei bordi grano) e al maggiore spessore che ha portato ad un migliore assorbimento della radiazione (Hadadian et al., 2016). Regarding the doping of perovskite with 2D materials, nitrogen-doped rGO (N-rGO) was incorporated into the solution of the precursors of perovskite, which was then deposited by spin-coating on mesoporous titania. The authors of the research attributed the increase in performance (in terms of Jsc and FF) to the different morphology characterized by larger grains (and therefore reduced size of the grain boundaries) and to the greater thickness which led to a better absorption of radiation ( Hadadian et al., 2016).

L’impiego di quantum-dot di grafene (GQD) all’interno dello strato di perovskite è stato riportato come strategia per passivare i bordi grano della perovskite, migliorando le prestazioni generali (Fang et al., 2017). The use of quantum-dot graphene (GQD) within the perovskite layer has been reported as a strategy for passivating the grain boundaries of perovskite, improving overall performance (Fang et al., 2017).

Materiali affini al grafene (GRM) sono stati introdotti nella struttura per migliorare la raccolta di carica al contro-elettrodo. In particolare, GO presenta una funzione lavoro di 4.95 eV che si interfaccia bene con il livello energetico HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) della perovskite (-5.4 eV) e dello spiro-OMeTAD (-5.2 eV), consentendo una buona estrazione delle cariche positive (lacune) all’interfaccia perovskite/HSL (strato di estrazione selettivo delle lacune). Può, dunque, essere impiegato sia come strato intermedio, sia come drogante per l’HSL. Graphene-related materials (GRMs) were introduced into the structure to improve charge collection at the counter electrode. In particular, GO has a work function of 4.95 eV that interfaces well with the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) energy level of the perovskite (-5.4 eV) and the spiro-OMeTAD (-5.2 eV), allowing a good extraction of the charges positive (lacunae) at the perovskite / HSL interface (selective lacunae extraction layer). It can, therefore, be used both as an intermediate layer and as a dopant for HSL.

Nel primo caso è stato dimostrato che l’applicazione del GO come strato intermedio tra la perovskite e l’HSL aumenti le prestazioni dei dispositivi a perovskite grazie alla passivazione degli stati trappola all’interfaccia attraverso i legami Pb-O che legano il GO alla perovskite. In aggiunta, la presenza del GO aumenta la bagnabilità della superficie della perovskite favorendo l’adesione dello spiro-OMeTAD mediante interazioni p-p (Li et al., 2014). In the first case it has been shown that the application of GO as an intermediate layer between perovskite and HSL increases the performance of perovskite devices thanks to the passivation of the trap states at the interface through the Pb-O bonds that bind the GO to the perovskite . In addition, the presence of GO increases the wettability of the perovskite surface by favoring the adhesion of the spiro-OMeTAD through p-p interactions (Li et al., 2014).

Il doping dell’HSL tramite rGO di tipo p è stato effettuato con una soluzione acida a base di ioduro di ferro per rimpiazzare i droganti comunemente usati nello spiro-OMeTAD. Questi sali sono, infatti, responsabili della rapida degradazione dello strato attivo di perovskite accorciando il tempo di vita dei dispositivi in condizioni operative. I dispositivi ottenuti hanno mostrato un decremento di efficienza inferiore al 15% dopo 500 ore, rispetto al decremento del 65% dei dispositivi di riferimento (Umeyama et al., 2015). The doping of HSL by p-type rGO was carried out with an acid solution based on iron iodide to replace the dopants commonly used in spiro-OMeTAD. These salts are, in fact, responsible for the rapid degradation of the active perovskite layer, shortening the life time of the devices in operating conditions. The devices obtained showed an efficiency decrease of less than 15% after 500 hours, compared to the decrease of 65% of the reference devices (Umeyama et al., 2015).

Oltre al grafene e derivati, altri materiali con struttura 2D basati su metalli di transizione dicalcogenuri (TMD) sono stati proposti come interlayer tra perovskite e HSL (Ahn et al., 2016; Dasgupta, Chatterjee, & Pal, 2017; Huang et al., 2017; Kim et al., 2016). Tra questi, Agresti et al. e Capasso et al. hanno utilizzato il disolfuro di molibdeno (MoS2) come strato intermedio per un’efficiente estrazione delle lacune, portando ad un aumento dell’efficienza e della stabilità dei dispositivi. L’abbassamento della VOC è stato compensato dall’aumento della Jsc dei dispositivi basati su MoS2 (A. Agresti et al., 2017; Capasso et al., 2016). In addition to graphene and derivatives, other 2D structure materials based on dicalcogenide transition metals (TMDs) have been proposed as interlayer between perovskite and HSL (Ahn et al., 2016; Dasgupta, Chatterjee, & Pal, 2017; Huang et al. , 2017; Kim et al., 2016). Among these, Agresti et al. and Capasso et al. have used molybdenum disulfide (MoS2) as an intermediate layer for efficient extraction of gaps, leading to an increase in the efficiency and stability of the devices. The lowering of the VOC was compensated by the increase in the Jsc of the devices based on MoS2 (A. Agresti et al., 2017; Capasso et al., 2016).

L’utilizzo di materiali 2D nelle cella frontale di una tandem 2T che include perovskite come assorbitore riguarda unicamente l’impiego del grafene come elettrodo della PSC, come ad esempio nel brevetto KR20190010197A. The use of 2D materials in the front cell of a 2T tandem that includes perovskite as an absorber only concerns the use of graphene as an electrode of the PSC, as for example in the patent KR20190010197A.

In generale, dunque, l’impiego del grafene e dei GRM è stato ampiamente affrontato nella letteratura di settore, ma non vi è un uso sistematico di questo materiali per aumentare il FF e la VOC delle celle a perovskite usate come celle frontali della configurazione tandem 2T, senza influenzare la trasmittanza delle stesse. In general, therefore, the use of graphene and GRMs has been widely addressed in the literature of the sector, but there is no systematic use of these materials to increase the FF and the VOC of the perovskite cells used as frontal cells of the tandem configuration. 2T, without affecting the transmittance of the same.

6. BREVE DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE 6. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invenzione permette di aumentare le performance di un dispositivo fotovoltaico multi-giunzione migliorandone il Fill Factor (FF) e/o la tensione a circuito aperto (VOC) mediante l’uso di grafene o di altri materiali bidimensionali (2D) in una o più della sotto-celle che comprendono un materiale con struttura a perovskite come assorbitore della radiazione elettromagnetica. Questa strategia ha il vantaggio di non modificare la trasmittanza delle suddette sotto-celle alla radiazione elettromagnetica e, quindi, non va ad alterare la corrente in uscita al dispositivo multi-giunzione ottimizzata secondo la condizione del “matching” di corrente in ciascuna sotto-cella. The present invention allows to increase the performance of a multi-junction photovoltaic device by improving the Fill Factor (FF) and / or the open circuit voltage (VOC) through the use of graphene or other two-dimensional (2D) materials in one or more than the sub-cells which comprise a material with perovskite structure as an absorber of electromagnetic radiation. This strategy has the advantage of not modifying the transmittance of the aforementioned sub-cells to electromagnetic radiation and, therefore, does not alter the output current to the multi-junction device optimized according to the current "matching" condition in each sub-cell. .

L’invenzione riguarda l’utilizzo di materiali 2D come il grafene, l’ossido di grafene, il disolfuro di molibdeno e altri materiali correlati, come strati intermedi o come droganti in uno o più strati costituenti il dispositivo, con lo scopo di migliorare il trasferimento di carica tra gli strati che costituiscono la sotto-cella in perovskite, senza alterarne la trasmittanza ottica. The invention relates to the use of 2D materials such as graphene, graphene oxide, molybdenum disulfide and other related materials, as intermediate layers or as dopants in one or more layers constituting the device, with the aim of improving the charge transfer between the layers that make up the perovskite sub-cell, without altering its optical transmittance.

L’obiettivo viene, dunque, raggiunto senza introdurre perdite della radiazione elettromagnetica per riflessione o assorbimenti parassitici per lunghezze d’onda comprese tra i 300 e i 1200 nm. The objective is therefore achieved without introducing losses of electromagnetic radiation by reflection or parasitic absorption for wavelengths between 300 and 1200 nm.

Nello specifico, l’ingegnerizzazione proposta riguarda le interfacce del materiale con struttura a perovskite con gli strati selettivi della carica elettrica (SL) inserendo ulteriori strati intermedi e/o drogando i preesistenti SL e/o lo strato attivo di perovskite, utilizzando grafene e/o materiali 2D ad esso affini (GRM). Specifically, the proposed engineering concerns the interfaces of the material with perovskite structure with the selective layers of the electric charge (SL) by inserting further intermediate layers and / or doping the pre-existing SL and / or the active layer of perovskite, using graphene and / or related 2D materials (GRM).

L’azione sull’interfaccia perovskite/SL basata su GRM è proposta come strategia per aumentare FF e VOC migliorando il trasferimento di carica tra gli strati della/e sotto-cella/e in perovskite. Nello specifico, il grafene e/o altri materiali 2D vengono utilizzati come droganti negli strati costituenti il dispositivo e/o come strati intermedi all’interfaccia perovskite/SL. I materiali 2D impiegabili sono ad esempio il grafene nella sua forma esfoliata o ridotta ottenuta a partire dall’ossido di grafene (GO), il quale a sua volta può essere nella forma semplice o funzionalizzata; altre possibilità possono essere materiali 2D come il disolfuro di molibdeno (MoS2) o il disolfuro di tungsteno (WS2); sono utilizzabili altri materiali diversi da quelli menzionati o anche una combinazione di questi. The action on the GRM-based perovskite / SL interface is proposed as a strategy to increase FF and VOC by improving the charge transfer between the layers of the perovskite sub-cell (s). Specifically, graphene and / or other 2D materials are used as dopants in the layers constituting the device and / or as intermediate layers at the perovskite / SL interface. The 2D materials that can be used are for example graphene in its exfoliated or reduced form obtained from graphene oxide (GO), which in turn can be in the simple or functionalized form; other possibilities can be 2D materials such as molybdenum disulfide (MoS2) or tungsten disulfide (WS2); other materials other than those mentioned or even a combination of these can be used.

Le tecniche di produzione dei GRM possono spaziare dalla esfoliazione chimica o essere di tipo meccanico a partire dalla grafite in fase liquida, ma non si limitano a quelle citate. GRM production techniques can range from chemical exfoliation or be of the mechanical type starting from graphite in the liquid phase, but are not limited to those mentioned.

La soluzione proposta può applicarsi a qualsiasi struttura dei dispositivi a perovskite: planare o mesoporosa, diretta (n-i-p) o invertita (p-i-n), su substrati rigidi o flessibili. The proposed solution can be applied to any structure of perovskite devices: planar or mesoporous, direct (n-i-p) or inverted (p-i-n), on rigid or flexible substrates.

A differenza delle soluzioni preesistenti, l’ingegnerizzazione mediante GRM qui proposta costituisce un avanzamento tecnologico nella misura in cui il miglioramento dell’efficienza del dispositivo PV multi-giunzione che comprende assorbitori a perovskite passa per l’aumento del FF e della VOC del dispositivo mantenendo la struttura precedentemente ottimizzata dal punto di vista ottico e preservando tale ottimizzazione al fine di mantenere la condizione del “matching” di corrente nei dispositivi 2T, con la possibilità di ridurre eventuali fenomeni di isteresi o di instabilità in condizioni operative. Unlike the pre-existing solutions, the GRM engineering proposed here constitutes a technological advancement to the extent that the improvement of the efficiency of the multi-junction PV device that includes perovskite absorbers passes through the increase of the FF and the VOC of the device while maintaining the structure previously optimized from the optical point of view and preserving this optimization in order to maintain the condition of the current “matching” in the 2T devices, with the possibility of reducing any hysteresis or instability phenomena in operating conditions.

L’invenzione qui descritta è di facile integrazione all’interno processo di produzione dei dispositivi e può essere applicata su larga scala e larga area. The invention described here is easy to integrate into the production process of the devices and can be applied on a large scale and large area.

7. DETAILED DESCRIPTION 7. DETAILED DESCRIPTION

L’invenzione di seguito proposta consente di aumentare le prestazioni elettriche di un dispositivo fotovoltaico multi-giunzione che comprenda una sotto-cella a perovskite, migliorandone il Fill Factor (FF) e la VOC, senza limitare la trasmittanza dei vari strati. The invention proposed below allows to increase the electrical performance of a multi-junction photovoltaic device that includes a perovskite sub-cell, improving its Fill Factor (FF) and VOC, without limiting the transmittance of the various layers.

Tale scopo viene raggiunto di un dispositivo fotovoltaico a perovskite inserendo nei diversi strati come droganti, o tra essi come strati intermedi, grafene e/o altri materiali con struttura bidimensionale (2D). This purpose is achieved by a perovskite photovoltaic device by inserting graphene and / or other materials with two-dimensional (2D) structure into the different layers as dopants, or between them as intermediate layers.

La presente invenzione è legata all’ingegnerizzazione del dispositivo, agendo sulle interfacce tra perovskite e gli strati selettivi di carica mediante l’inserimento di ulteriori strati di interfaccia e/o tramite il drogaggio degli strati selettivi (SL) e/o dello stesso strato attivo. I materiali 2D impiegabili sono ad esempio il grafene nella sua forma esfoliata o ridotta ottenuta a partire dall’ossido di grafene (GO), il quale a sua volta può essere nella forma semplice o funzionalizzata; altre possibilità possono essere materiali 2D come il disolfuro di molibdeno (MoS2) o il disolfuro di tungsteno (WS2); sono utilizzabili altri materiali diversi da quelli menzionati o anche una combinazione di questi. A seguire, si farà riferimento a questi materiali come GRM (Graphene Related Materials – materiali affini al grafene) o più semplicemente come materiali 2D. The present invention is linked to the engineering of the device, acting on the interfaces between perovskite and the selective charge layers by inserting further interface layers and / or by doping the selective layers (SL) and / or the active layer itself. . The 2D materials that can be used are for example graphene in its exfoliated or reduced form obtained from graphene oxide (GO), which in turn can be in the simple or functionalized form; other possibilities can be 2D materials such as molybdenum disulfide (MoS2) or tungsten disulfide (WS2); other materials other than those mentioned or even a combination of these can be used. In the following, these materials will be referred to as GRM (Graphene Related Materials - materials similar to graphene) or more simply as 2D materials.

In Fig.2 viene mostrata una rappresentazione schematica e non in scala di una cella solare a perovskite, per facilitare la comprensione della struttura, della funzione e della posizione dei vari strati a cui si farà riferimento in seguito. La struttura in oggetto è valida sia per descrivere un dispositivo in perovskite singola giunzione, che per una sotto-cella di una cella solare multi-giunzione: la differenza principale sarà dettata dal substrato conduttivo (6), che nel secondo caso sarà costituito dalle altre sotto-celle costituenti il dispositivo multigiunzione. I contorni tratteggiati delimitano gli strati opzionali in cui i GRM sono inseriti come strati intermedi o di protezione, mentre il riempimento testurizzato indica quali strati possono essere drogati mediante GRM. Fig. 2 shows a schematic and non-scale representation of a perovskite solar cell, to facilitate understanding of the structure, function and position of the various layers which will be referred to later. The structure in question is valid both for describing a single junction perovskite device and for a sub-cell of a multi-junction solar cell: the main difference will be dictated by the conductive substrate (6), which in the second case will consist of the others sub-cells constituting the multi-junction device. The dashed outlines delimit the optional layers in which the GRMs are inserted as intermediate or protective layers, while the textured fill indicates which layers can be doped by GRM.

Il substrato conduttivo (6) in un dispositivo singola giunzione può essere qualsiasi lastra metallica di qualsiasi spessore, oppure silicio, vetro, PET, PEN (e non solo) ricoperti con un materiale conduttivo (l’ossido di Indio drogato Stagno (ITO), l’ossido di stagno drogato fluoro (FTO), l’ossido di zinco drogato alluminio (AZO), l’ossido di zinco drogato indio (IZO), nanofili di rame (CuNW), nanofili di argento (AgNW) etc. o una combinazione di questi) che ne migliori le proprietà elettriche in modo da avere una resistenza al trasporto laterale della carica (sheet resistance) che vada da 0 a 10<3 >Ω/□. The conductive substrate (6) in a single junction device can be any metal plate of any thickness, or silicon, glass, PET, PEN (and more) covered with a conductive material (tin doped indium oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), indium doped zinc oxide (IZO), copper nanowires (CuNW), silver nanowires (AgNW) etc. or a combination of these) that improves the electrical properties in order to have a resistance to the lateral transport of the charge (sheet resistance) ranging from 0 to 10 <3> Ω / □.

In un dispositivo multi-giunzione il substrato conduttivo è costituito dalle sotto-celle sottostanti che costituiscono il dispositivo e terminate con una materiale conduttivo (ITO, FTO, AZO, IZO, AgNW, CuNW etc. o una combinazione di questi), oppure una giunzione tunnel (p-n o n-p), e che abbia una resistenza al trasporto verticale della carica che vada da 0 a 10<2 >Ω e di uno spessore compreso tra 0 e 900 nm in modo da minimizzare le perdite ottiche per riflessione o per assorbimento e le perdite elettriche per effetto Joule. In a multi-junction device, the conductive substrate consists of the underlying sub-cells that make up the device and terminated with a conductive material (ITO, FTO, AZO, IZO, AgNW, CuNW etc. or a combination of these), or a junction tunnel (p-n or n-p), and which has a resistance to the vertical transport of the charge ranging from 0 to 10 <2> Ω and a thickness between 0 and 900 nm in order to minimize the optical losses by reflection or by absorption and electrical losses due to the Joule effect.

Lo strato selettivo di carica (7) può essere uno strato selettivo di lacune (HSL), o di elettroni (ESL), in base al tipo di struttura scelto, rispettivamente invertita o diretta. The charge-selective layer (7) can be a hole-selective layer (HSL), or an electron-selective layer (ESL), according to the type of structure chosen, respectively inverted or directed.

I materiali utilizzabili per un HSL possono essere semiconduttori inorganici come il tiocianato di rame (CuSCN), lo ioduro di rame (CuI), l’ossido di nickel (NiO) e altri, oppure materiali organici come il Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(N,N'-bis-4-butylphenyl-N,N'-bisphenyl)benzidine (PolyTPD), 2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD or spiro-MeOTAD) e altri. The materials that can be used for an HSL can be inorganic semiconductors such as copper thiocyanate (CuSCN), copper iodide (CuI), nickel oxide (NiO) and others, or organic materials such as Poly [bis (4-phenyl ) (2,4,6-trimethylphenyl) amine (PTAA), Poly (N, N'-bis-4-butylphenyl-N, N'-bisphenyl) benzidine (PolyTPD), 2,2 ', 7,7'- Tetrakis [N, N-di (4-methoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD or spiro-MeOTAD) and others.

I materiali utilizzabili per l’ESL possono essere semiconduttori inorganici come l’ossido di titanio (TiO2), l’ossido di stagno (SnO2), l’ossido di alluminio (Al2O3) e altri, oppure materiali organici come i fullereni (C60, PCBM e altri), PEIE e altri. The materials that can be used for ESL can be inorganic semiconductors such as titanium oxide (TiO2), tin oxide (SnO2), aluminum oxide (Al2O3) and others, or organic materials such as fullerenes (C60, PCBM and others), PEIE and others.

Il materiale assorbitore, o strato attivo (9) è un materiale con struttura cristallina a perovskite e formula chimica ABX3 in cui: A è un catione come Methylammonium (MA), Formamidinium (FA), Cesio (Cs), Rubidio (Rb), Potassio (K) o altri cationi monovalenti, o una combinazione di essi; il sito B è un metallo bivalente come il Piombo (Pb), lo Stagno (Sn) o altri, o una combinazione di questi; mentre C è un anione, più comunemente un alogeno come lo Iodio (I), il Bromo (Br), il Cloro (Cl), ma non si limita a questi e può essere una combinazione di essi. The absorber material, or active layer (9) is a material with a perovskite crystal structure and chemical formula ABX3 in which: A is a cation such as Methylammonium (MA), Formamidinium (FA), Cesium (Cs), Rubidium (Rb), Potassium (K) or other monovalent cations, or a combination thereof; site B is a divalent metal such as Lead (Pb), Tin (Sn) or others, or a combination of these; while C is an anion, more commonly a halogen such as Iodine (I), Bromine (Br), Chlorine (Cl), but it is not limited to these and can be a combination of them.

L’altro strato selettivo di carica (11) avrà polarità opposta rispetto all’altro (8): sarà un HSL in una struttura diretta (n-i-p) o un ESL in una struttura invertita (p-i-n). The other selective charge layer (11) will have opposite polarity with respect to the other (8): it will be an HSL in a direct structure (n-i-p) or an ESL in an inverted structure (p-i-n).

I materiali impiegati sono analoghi a quelli precedentemente menzionati, ma non si limitano ad essi. The materials used are similar to those previously mentioned, but are not limited to them.

Il contro-elettrodo (13) può essere sia un metallo come l’oro (Au), l’argento (Ag), il rame (Cu) e altri, oppure un ossido conduttivo trasparente come l’ossido di Indio drogato Stagno (ITO), l’ossido di stagno drogato fluoro (FTO), l’ossido di zinco drogato alluminio (AZO), l’ossido di zinco drogato indio (IZO) o altri. The counter electrode (13) can be either a metal such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) and others, or a transparent conductive oxide such as tin doped indium oxide (ITO ), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), indium doped zinc oxide (IZO) or others.

Un layer opzionale di grafene o altri GRM o qualsiasi materiale 2D può essere aggiunto come strato intermedio (8) e/o (10) tra lo strato attivo e uno degli strati selettivi di carica (7) e/o (11). Allo stesso tempo, o in alternativa, i GRM potrebbero essere usati come strati protettivi (12) tra uno strato selettivo (11) e il controelettrodo (13). Allo stesso tempo, o alternativamente, i materiali 2D possono essere utilizzati come droganti o additivi agli strati selettivi di carica (7) e/o (11) e/o nello strato attivo (9). Il drogaggio o l’additivazione può avvenire in uno o più strati (7), (9) e (11) allo stesso tempo and con differenti GRM o materiali 2D. An optional layer of graphene or other GRMs or any 2D material can be added as an intermediate layer (8) and / or (10) between the active layer and one of the filler selective layers (7) and / or (11). At the same time, or alternatively, GRMs could be used as protective layers (12) between a selective layer (11) and the counter electrode (13). At the same time, or alternatively, the 2D materials can be used as dopants or additives to the filler selective layers (7) and / or (11) and / or in the active layer (9). The doping or addition can take place in one or more layers (7), (9) and (11) at the same time and with different GRMs or 2D materials.

I diversi strati del dispositivo a perovskite possono essere depositati con tecniche diverse a seconda dell’architettura adottata: The different layers of the perovskite device can be deposited with different techniques depending on the architecture adopted:

In una struttura diretta mesoporosa, il primo strato selettivo di carica (7) è un ESL, con spessore che va da 10 a 400 nanometri, comunemente realizzato con uno strato compatto di TiO2, TiOx, ZnO, Cs2CO3, o altri, depositati con tecniche diverse, quali serigrafia, spraypirolisi, sputtering, elettrodeposizione, anodizzazione, CVD, evaporazione termica o con fascio elettronico, deposizione laser a impulsi e altre. In a direct mesoporous structure, the first selective charge layer (7) is an ESL, with a thickness ranging from 10 to 400 nanometers, commonly made with a compact layer of TiO2, TiOx, ZnO, Cs2CO3, or others, deposited with techniques different, such as screen printing, spray pyrolysis, sputtering, electroplating, anodizing, CVD, thermal or electron beam evaporation, pulsed laser deposition and others.

Segue uno strato mesoporoso (da cui il nome di struttura mesoporosa) generalmente di spessore nell'intervallo da 50 nm a 500 nm ottenuto depositando una pasta colloidale contenente nanoparticelle (ad esempio di Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 o altri), solventi e leganti organici. Generalmente, è depositato con varie tecniche (serigrafia, blade-coating, spin coating, slot-die coating, ink-jet e altro). A mesoporous layer follows (hence the name of mesoporous structure) generally with a thickness in the range from 50 nm to 500 nm obtained by depositing a colloidal paste containing nanoparticles (for example of Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 or others), solvents and binders organic. Generally, it is deposited with various techniques (screen printing, blade-coating, spin coating, slot-die coating, ink-jet and more).

Lo strato mesoporoso viene successivamente sinterizzato con un processo termico con temperature comprese tra 50°C e 600°C per un tempo compreso tra 10 e 3 00 minuti, necessario per far evaporare i leganti organici e per creare i legami elettromeccanici tra le nanoparticelle. The mesoporous layer is subsequently sintered with a thermal process with temperatures between 50 ° C and 600 ° C for a time between 10 and 3 00 minutes, necessary to evaporate the organic binders and to create the electromechanical bonds between the nanoparticles.

In alternativa, per substrati plastici, lo strato mesoporoso viene realizzato utilizzando un processo a bassa temperatura, come la sinterizzazione UV con una sorgente di radiazioni comprendente lunghezze d'onda comprese tra 200 nm e 350 nm, o con sinterizzazione laser. Alternatively, for plastic substrates, the mesoporous layer is made using a low temperature process, such as UV sintering with a radiation source comprising wavelengths between 200 nm and 350 nm, or with laser sintering.

Successivamente, questo ESL viene bagnato da una soluzione di perovskite contenente i precursori della stessa, ovvero sali alogenati di uno o più cationi organici come MA e/o FA e/o Cs o altri e uno o più composti inorganici come PbI2, PbCl2, PbBr2, ma non solo. Subsequently, this ESL is wetted by a perovskite solution containing its precursors, i.e. halogenated salts of one or more organic cations such as MA and / or FA and / or Cs or others and one or more inorganic compounds such as PbI2, PbCl2, PbBr2 , but not only.

Questa soluzione viene depositata con varie tecniche, come spin-coating, spray, deposizione fisica in fase vapore, evaporazione termica, immersione, precipitazione con anti-solvente e altri). This solution is deposited with various techniques, such as spin-coating, spray, physical vapor deposition, thermal evaporation, immersion, precipitation with anti-solvent and others).

La perovskite cristallina finale è ottenuta da uno o più passaggi termici ad una temperatura generalmente compresa tra 50 ° C e 200 ° C per un tempo compreso tra 5 minuti e 120 minuti. The final crystalline perovskite is obtained by one or more thermal passages at a temperature generally between 50 ° C and 200 ° C for a time between 5 minutes and 120 minutes.

Il processo di cristallizzazione termica potrebbe anche essere preceduto da, simultaneo, seguito, o alternativo a una fase ausiliaria come passaggi di vuoto o cristallizzazione assistita da gas compressi The thermal crystallization process could also be preceded by, simultaneous with, followed by, or alternative to an auxiliary step such as vacuum steps or compressed gas assisted crystallization

I processi di formazione e cristallizzazione della perovskite possono essere anche diversi da questi (ad esempio l’evaporazione termica dei precursori). The processes of formation and crystallization of perovskite can also be different from these (for example the thermal evaporation of the precursors).

Sullo strato attivo (9), costituito dalla perovskite, viene depositato un ulteriore strato selettivo di carica (11) di polarità opposta rispetto al precedente (dunque un HSL in questo caso), costituito da P3HT, Spiro-OMETAD, PTAA, PEDOT:PSS, MoS2, CuSCN o altri. Questo viene depositato per spin coating, spray, getto d'inchiostro, slot-die e altri. On the active layer (9), consisting of perovskite, a further selective charge layer (11) of opposite polarity with respect to the previous one is deposited (therefore an HSL in this case), consisting of P3HT, Spiro-OMETAD, PTAA, PEDOT: PSS , MoS2, CuSCN or others. This is deposited for spin coating, spray, inkjet, slot die and others.

Il successivo strato (13) costituisce il contro-elettrodo della cella fotovoltaica e può essere un ossido trasparente conduttivo (ITO, FTO, AZO, IZO o altri film di TCO), o un metallo, e può essere depositato con qualsiasi tecnica tra quelle precedentemente citate. The next layer (13) constitutes the counter-electrode of the photovoltaic cell and can be a conductive transparent oxide (ITO, FTO, AZO, IZO or other TCO films), or a metal, and can be deposited with any technique among those previously cited.

In alternativa, la cella planare diretta è tipicamente composta da un uno strato selettivo di elettroni (ESL) che viene generalmente depositato con uno spessore nell'intervallo da 10 a 400 nanometri. Solitamente consiste in uno strato compatto di TiO2, SnO2, ZnO2, PCBM e altri, per mezzo di tecniche, quali serigrafia, spray-pirolisi, spin-coating, sputtering, elettrodeposizione, anodizzazione, CVD, Evaporazione termica o a fascio di elettroni, LPD o altre. Alternatively, the direct planar cell is typically composed of an electron selective layer (ESL) which is generally deposited with a thickness in the range of 10 to 400 nanometers. It usually consists of a compact layer of TiO2, SnO2, ZnO2, PCBM and others, by means of techniques, such as screen printing, spray-pyrolysis, spin-coating, sputtering, electroplating, anodizing, CVD, Thermal or electron beam evaporation, LPD or other.

Successivamente, questo ESL viene bagnato da una soluzione di perovskite contenente i precursori della stessa, ovvero sali alogenati di uno o più cationi organici come MA e/o FA e/o Cs o altri e uno o più composti inorganici come PbI2, PbCl2, PbBr2, ma non solo. Subsequently, this ESL is wetted by a perovskite solution containing its precursors, i.e. halogenated salts of one or more organic cations such as MA and / or FA and / or Cs or others and one or more inorganic compounds such as PbI2, PbCl2, PbBr2 , but not only.

Questa soluzione viene depositata con varie tecniche, come spin-coating, spray, deposizione fisica in fase vapore, evaporazione termica, immersione, precipitazione con anti-solvente e altri). This solution is deposited with various techniques, such as spin-coating, spray, physical vapor deposition, thermal evaporation, immersion, precipitation with anti-solvent and others).

La perovskite cristallina finale è ottenuta da uno o più passaggi termici ad una temperatura generalmente compresa tra 50 ° C e 200 ° C per un tempo compreso tra 5 minuti e 120 minuti. The final crystalline perovskite is obtained by one or more thermal passages at a temperature generally between 50 ° C and 200 ° C for a time between 5 minutes and 120 minutes.

Il processo di cristallizzazione termica potrebbe anche essere preceduto da, simultaneo, seguito, o alternativo a una fase ausiliaria come passaggi di vuoto o cristallizzazione assistita da gas compressi The thermal crystallization process could also be preceded by, simultaneous with, followed by, or alternative to an auxiliary step such as vacuum steps or compressed gas assisted crystallization

I processi di formazione e cristallizzazione della perovskite possono essere anche diversi da questi (ad esempio l’evaporazione termica dei precursori). The processes of formation and crystallization of perovskite can also be different from these (for example the thermal evaporation of the precursors).

Sullo strato attivo (9), costituito dalla perovskite, viene depositato un ulteriore strato selettivo di carica (11) di polarità opposta rispetto al precedente (dunque un HSL in questo caso), costituito da P3HT, Spiro-OMETAD, PTAA, PEDOT:PSS, MoS2, CuSCN o altri. Questo viene depositato per spin coating, spray, getto d'inchiostro, slot-die, atomic layer deposition (ALD) e altri. On the active layer (9), consisting of perovskite, a further selective charge layer (11) of opposite polarity with respect to the previous one is deposited (therefore an HSL in this case), consisting of P3HT, Spiro-OMETAD, PTAA, PEDOT: PSS , MoS2, CuSCN or others. This is deposited by spin coating, spray, inkjet, slot die, atomic layer deposition (ALD) and others.

Il successivo strato (13) costituisce il contro-elettrodo della cella fotovoltaica e può essere un ossido trasparente conduttivo (ITO, FTO, AZO, IZO o altri film di TCO), o un metallo, e può essere depositato con qualsiasi tecnica tra quelle precedentemente citate. The next layer (13) constitutes the counter-electrode of the photovoltaic cell and can be a conductive transparent oxide (ITO, FTO, AZO, IZO or other TCO films), or a metal, and can be deposited with any technique among those previously cited.

La cella solare perovskite planare invertita ha una struttura in cui lo strato selettivo del lacune (HSL) è depositato per primo sul substrato (7). La cella è in genere composta da un HSL costituito da diversi materiali come PEDOT: PSS, Cu: NiOx, PolyTPD, VB-DAAF e altri e depositati con tecniche diverse (con spin coating, spray, getto d'inchiostro, slot die coating e altri). The inverted planar perovskite solar cell has a structure where the hole selective layer (HSL) is first deposited on the substrate (7). The cell is generally composed of an HSL consisting of different materials such as PEDOT: PSS, Cu: NiOx, PolyTPD, VB-DAAF and others and deposited with different techniques (with spin coating, spray, ink jet, slot die coating and other).

Successivamente, questo ESL viene bagnato da una soluzione di perovskite contenente i precursori della stessa, ovvero sali alogenati di uno o più cationi organici come MA e/o FA e/o Cs o altri e uno o più composti inorganici come PbI2, PbCl2, PbBr2, ma non solo. Subsequently, this ESL is wetted by a perovskite solution containing its precursors, i.e. halogenated salts of one or more organic cations such as MA and / or FA and / or Cs or others and one or more inorganic compounds such as PbI2, PbCl2, PbBr2 , but not only.

Questa soluzione viene depositata con varie tecniche, come spin-coating, spray, deposizione fisica in fase vapore, evaporazione termica, immersione, precipitazione con anti-solvente e altri). This solution is deposited with various techniques, such as spin-coating, spray, physical vapor deposition, thermal evaporation, immersion, precipitation with anti-solvent and others).

La perovskite cristallina finale è ottenuta da uno o più passaggi termici ad una temperatura generalmente compresa tra 50 ° C e 200 ° C per un tempo compreso tra 5 minuti e 120 minuti. The final crystalline perovskite is obtained by one or more thermal passages at a temperature generally between 50 ° C and 200 ° C for a time between 5 minutes and 120 minutes.

Il processo di cristallizzazione termica potrebbe anche essere preceduto da, simultaneo, seguito, o alternativo a una fase ausiliaria come passaggi di vuoto o cristallizzazione assistita da gas compressi The thermal crystallization process could also be preceded by, simultaneous with, followed by, or alternative to an auxiliary step such as vacuum steps or compressed gas assisted crystallization

I processi di formazione e cristallizzazione della perovskite possono essere anche diversi da questi (ad esempio l’evaporazione termica dei precursori). The processes of formation and crystallization of perovskite can also be different from these (for example the thermal evaporation of the precursors).

Sullo strato attivo (9), costituito dalla perovskite, viene depositato un ulteriore strato selettivo di carica (11) di polarità opposta rispetto al precedente (dunque un HSL in questo caso), costituito da PCBM, C60, BCP, PCBC fullerene, ZnO, ma non solo. Questo viene depositato per spin coating, spray, getto d'inchiostro, slot-die, evaporazione termica, atomic layer deposition (ALD) e altri. On the active layer (9), consisting of perovskite, a further selective charge layer (11) of opposite polarity with respect to the previous one is deposited (therefore a HSL in this case), consisting of PCBM, C60, BCP, PCBC fullerene, ZnO, but not only. This is deposited by spin coating, spray, inkjet, slot die, thermal evaporation, atomic layer deposition (ALD) and others.

Il successivo strato (13) costituisce il contro-elettrodo della cella fotovoltaica e può essere un ossido trasparente conduttivo (ITO, FTO, AZO, IZO o altri film di TCO), o un metallo, e può essere depositato con qualsiasi tecnica tra quelle precedentemente citate. The next layer (13) constitutes the counter-electrode of the photovoltaic cell and can be a conductive transparent oxide (ITO, FTO, AZO, IZO or other TCO films), or a metal, and can be deposited with any technique among those previously cited.

Numerose variazioni possono essere apportate a queste strutture di base con l'inserimento di grafene o di GRM, come l’ossido di grafene (GO), ossido di grafene ridotto (rGO), o funzionalizzato con sali di litio (GO-Li), o altri materiali 2D come il disolfuro di molibdeno (MoS2), o di tungsteno (WS2) e altri. Questi possono essere inseriti nei vari strati che costituiscono il dispositivo, come lo strato mesoporoso, lo strato attivo di perovskite, l’HSL e l’ESL, ma non solo, sia come drogante dei vari strati, sia come strato intermedio aggiuntivo o sostitutivo. Numerous variations can be made to these basic structures with the insertion of graphene or GRM, such as graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), or functionalized with lithium salts (GO-Li), or other 2D materials such as molybdenum disulfide (MoS2), or tungsten (WS2) and others. These can be inserted into the various layers that make up the device, such as the mesoporous layer, the active layer of perovskite, the HSL and the ESL, but not only, both as a dopant for the various layers, and as an additional or replacement intermediate layer.

Il drogaggio può essere effettuato aggiungendo al precursore dello strato che si desidera drogare una percentuale in peso o in volume (compresa tra lo 0% e il 15%) della soluzione contenente i GRM. The doping can be carried out by adding to the precursor of the layer to be doped a percentage by weight or by volume (between 0% and 15%) of the solution containing the GRMs.

L’inserimento di GRM come strati intermedi, invece, può avvenire, a seconda della struttura desiderata direttamente depositando gli stessi a partire dalla soluzione contenente i materiali 2D mediante spin-coating, spray, blade-coating, inkjet o altre, oppure tramite tecniche come la CVD, l’evaporazione, ALD o altre. The insertion of GRM as intermediate layers, on the other hand, can take place, depending on the desired structure, directly depositing them starting from the solution containing the 2D materials by means of spin-coating, spray, blade-coating, inkjet or others, or through techniques such as CVD, evaporation, ALD or others.

8. ESEMPI 8. EXAMPLES

Come esempio, in figura 3 è mostrato l’uso del grafene al fine di incrementare le prestazioni di una cella solare tandem 2T perovskite/silicon meccanicamente accoppiata. Allo scopo di incrementare le prestazioni della cella al silicio, la cella tandem viene ottenuta tramite l’accoppiamento di una cella a perovskite semitrasparente con una cella di silicio ad eterogiunzione (22). As an example, Figure 3 shows the use of graphene in order to increase the performance of a mechanically coupled 2T perovskite / silicon tandem solar cell. In order to increase the performance of the silicon cell, the tandem cell is obtained by coupling a semitransparent perovskite cell with a heterojunction silicon cell (22).

La strategia adottata è quella di combinare i vantaggi di altre architetture convenzionali, quali: l’alto voltaggio della tandem monolitica data dalla somma dei voltaggi ottenuti dalle due celle; la possibilità di fabbricare indipendentemente le due celle come accade per una tandem 4T rispettando la compatibilità di processo. In questo esempio, la struttura scelta per la top-cell in perovskite è stata quella mesoscopica in quanto essa rappresenta la struttura più performante e maggiormente utilizzata in letteratura. The strategy adopted is to combine the advantages of other conventional architectures, such as: the high voltage of the monolithic tandem given by the sum of the voltages obtained by the two cells; the possibility of manufacturing the two cells independently as happens for a 4T tandem while respecting process compatibility. In this example, the structure chosen for the perovskite top-cell was the mesoscopic one as it represents the most performing and most used structure in literature.

La struttura del dispositivo in perovskite è riportata in Figura 3 e consiste in un substrato di vetro (14) dove è usato uno strato di ossido di stagno drogato Fluoro come fotoelettrodo trasparente (15). Lo strato selettivo per gli elettroni è costituito da uno strato di biossido di titanio (TiO2) compatto (16) e uno strato mesoporoso di TiO2 (17). Questi due strati (16) e (17) sono stati drogati con grafene al fine di dimostrare l’efficicacia della strategia proposta. Lo strato attivo (18) è una perovskite (CsFAMA)Pb(IBr)3 basata da cationi ed anioni misti. Lo strato selettivo per le lacune (19) è il polimero PTAA drogato. Il contatto posteriore (20) della cella a perovskite consiste in uno strato di ITO depositato mediante RF-sputtering. La bottom cell è una cella di silicio a eterogiunzione provvista di una griglia metallica in argento (21). La connessione in serie è ottenuta tramite pressione dell’elettrodo posteriore (20) della cella PSC sulla griglia (21) della cella bottom in silicio a eterogiunzione (22). La struttura risultante del dispositivo tandem rappresenta un facile approccio per l’accoppiamento tra un dispositivo in perovskite processato da soluzione e celle in silicio performanti provviste di texturing superficiale, superando le limitazioni precedentemente menzionate. The structure of the perovskite device is shown in Figure 3 and consists of a glass substrate (14) where a layer of fluorine-doped tin oxide is used as a transparent photoelectrode (15). The electron selective layer consists of a compact titanium dioxide (TiO2) layer (16) and a mesoporous TiO2 layer (17). These two layers (16) and (17) were doped with graphene in order to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy. The active layer (18) is a perovskite (CsFAMA) Pb (IBr) 3 based on mixed cations and anions. The lacunae selective layer (19) is the doped PTAA polymer. The rear contact (20) of the perovskite cell consists of a layer of ITO deposited by RF-sputtering. The bottom cell is a heterojunction silicon cell with a silver metal grid (21). The series connection is obtained by pressing the rear electrode (20) of the PSC cell on the grid (21) of the heterojunction silicon bottom cell (22). The resulting structure of the tandem device represents an easy approach for coupling between a solution-processed perovskite device and high-performance silicon cells provided with surface texturing, overcoming the previously mentioned limitations.

In questo esempio specifico, la cella top in perovskite presenta un fotoelettrodo (PE) basato su grafene ottenuto tramite il drogaggio di entrambi gli strati di TiO2 compatto (c-TiO2) e mesoporoso (m-TiO2) con un inchiostro di nano-flake di grafene capaci di incrementare la stabilità e le prestazioni della cella PSC. In this specific example, the perovskite top cell features a graphene-based photoelectrode (PE) obtained by doping both compact (c-TiO2) and mesoporous (m-TiO2) TiO2 layers with a nano-flake ink of graphene capable of increasing the stability and performance of the PSC cell.

E’ stato dimostrato che l’inserimento di flakes di grafene nella soluzione di c-TiO2 riduce la corrente di buio della cella portando alla riduzione della resistenza serie ed eventualmente ad un aumento del FF del dispositivo. It has been shown that the insertion of graphene flakes in the c-TiO2 solution reduces the dark current of the cell leading to the reduction of the series resistance and possibly to an increase in the FF of the device.

I risultati ottenuti tramite Steady state e PL time resolved photoluminescence (TRPL) rivelano una migliore morfologia dei cristalli di perovskite quando la stessa è accresciuta dentro lo strato di m-TiO2 drogato con grafene (mTiO2+G) portando a i) un incremento del voltaggio a circuito aperto (VOC); ii) una migliore iniezione di elettroni all’interfaccia mTiO2+G/perovskite. The results obtained by Steady state and PL time resolved photoluminescence (TRPL) reveal a better morphology of the perovskite crystals when it is grown inside the graphene-doped m-TiO2 layer (mTiO2 + G) leading to i) an increase in voltage a open circuit (VOC); ii) a better injection of electrons at the mTiO2 + G / perovskite interface.

La stabilità del dispositivo è inoltre incrementata grazie all’addizione di grafene dimostrando di impedire la diffusione di iodio nello strato m-TiO2 ritardando la degradazione dell'interfaccia mTiO2/perovskite e aumentando infine la durata del dispositivo. The stability of the device is also increased thanks to the addition of graphene demonstrating to prevent the diffusion of iodine in the m-TiO2 layer by delaying the degradation of the mTiO2 / perovskite interface and finally increasing the life of the device.

La fabbricazione dei dispositivi perovskite semitrasparenti è stata effettuata secondo la seguente procedura: The manufacture of the semi-transparent perovskite devices was carried out according to the following procedure:

I substrati di vetro/FTO con resistenza di 12 Ω/□ acquistati da Pilkington subiscono un processo di pulitura mediante successive fasi di sonicazione in acetone, etanolo e isopropanolo per 10, 5 e 10 minuti rispettivamente, al fine di rimuovere qualsiasi residuo organico dalla superficie. Glass / FTO substrates with 12 Ω / □ resistance purchased from Pilkington undergo a cleaning process by successive sonication steps in acetone, ethanol and isopropanol for 10, 5 and 10 minutes respectively, in order to remove any organic residue from the surface .

I contatti d'argento sono serigrafati direttamente sull'FTO in modo da formare i contatti di tipo n per la cella preservando l'anodo dalla successiva deposizione degli strati. The silver contacts are screen printed directly on the FTO to form the n-type contacts for the cell while preserving the anode from subsequent layer deposition.

Lo strato compatto di TiO2 (c-TiO2) viene depositato mediante spray-pyrolysis a 450 ° C partendo da una soluzione di precursore costituita da titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate), acetilacetone ed etanolo in un rapporto di volume 3:2:45. L'ottimizzazione del numero di cicli di spruzzatura è stata fondamentale per garantire uno strato spesso di 40 nm di c-TiO2. Nel caso dello strato di c-TiO2 drogato con grafene, è stata aggiunta una quantità adeguata di inchiostro di grafene alla soluzione del precursore di TiO2 ottimizzando la cella PSC risultante in termini di PCE. The compact layer of TiO2 (c-TiO2) is deposited by spray-pyrolysis at 450 ° C starting from a precursor solution consisting of titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate), acetylacetone and ethanol in a volume ratio 3: 2: 45. Optimizing the number of spray cycles was key to ensuring a 40nm thick layer of c-TiO2. In the case of the graphene doped c-TiO2 layer, an adequate amount of graphene ink was added to the TiO2 precursor solution optimizing the resulting PSC cell in terms of PCE.

Lo strato mesoporoso per trasporto di elettroni (m-TiO2) viene depositato mediante spin coating a 3000 rpm per 15 secondi mediante una pasta di nanoparticelle di titania Dyesol 30 NRD diluita con etanolo in un rapporto di massa 1:5. La soluzione così preparata è stata drogata aggiungendo 1% in volume di inchiostro basato su nanoflakes di grafene e successivamente mescolata per due ore. The mesoporous layer for electron transport (m-TiO2) is deposited by spin coating at 3000 rpm for 15 seconds using a paste of titania Dyesol 30 NRD nanoparticles diluted with ethanol in a 1: 5 mass ratio. The solution thus prepared was doped by adding 1% by volume of ink based on graphene nanoflakes and subsequently mixed for two hours.

La preparazione della soluzione di precursori della perovskite consiste nel pesare proporzionalmente PbI2, FAI, PbBr2, MABr e CsI in una singola fiala, seguita dall'aggiunta di una miscela di solventi DMF: DMSO (4:1), al fine di ottenere una soluzione a concentrazione di 1.2 M. The preparation of the perovskite precursor solution consists of proportionally weighing PbI2, FAI, PbBr2, MABr and CsI in a single vial, followed by the addition of a mixture of DMF: DMSO solvents (4: 1), in order to obtain a solution at a concentration of 1.2 M.

La deposizione è stata eseguita in una glove-box in azoto mediante spin coating della detta soluzione con un programma costituito in due fasi a 1000 rpm e 6000 rpm per 10 e 20 secondi rispettivamente. A 5 secondi prima della fine della seconda fase, il chlorobenzene, usato come anti-solvente, viene depositato sul campione. The deposition was carried out in a nitrogen glove-box by spin coating the said solution with a program consisting of two phases at 1000 rpm and 6000 rpm for 10 and 20 seconds respectively. At 5 seconds before the end of the second phase, the chlorobenzene, used as an anti-solvent, is deposited on the sample.

Lo strato selettivo per le lacune (PTAA) è stato preparato sciogliendo 10 mg di materiale in 1 mi di toluene e depositato tramite spin coating a 3000 rpm per 20 secondi. The hole selective layer (PTAA) was prepared by dissolving 10 mg of material in 1 ml of toluene and deposited by spin coating at 3000 rpm for 20 seconds.

La cella solare a eterogiunzione di silicio è basata su un substrato di Si n-type 1-5 ohm*cm di alta qualità, pulito tramite procedura RCA standard e texturizzato con trattamento denominato KOH wet processing. The silicon heterojunction solar cell is based on a high quality n-type 1-5 ohm * cm Si substrate, cleaned by standard RCA procedure and textured with a treatment called KOH wet processing.

Gli strati di silicio amorfo sono stati depositati tramite reattori PECVD a RF. Gli strati di passivazione a film sottile basati su a-Si: H intrinseco sono stati quindi depositati su entrambi i lati del wafer di silicio, mentre i collettori per lacune ed elettroni sono stati formati da film sottili di a-Si: H di tipo p- e n- aggiungendo rispettivamente PH3 e B2H6 come gas precursori al SiH4. I film di TCO sono stati depositati su strati a-Si: H drogati seguiti dalla deposizione di griglie metalliche a bassa temperatura (<200 ° C) mediante stampa serigrafica. The amorphous silicon layers were deposited through PECVD RF reactors. The intrinsic a-Si: H-based thin-film passivation layers were then deposited on both sides of the silicon wafer, while the hole and electron collectors were formed from p-type a-Si: H thin films - and n- by adding respectively PH3 and B2H6 as precursor gases to SiH4. The TCO films were deposited on doped a-Si: H layers followed by the deposition of metal grids at low temperature (<200 ° C) by screen printing.

La seguente tabella mostra le prestazioni del dispositivo migliore con PCE del 26,3% su un'area attiva di 1,43 cm<2>. Il risultato mostra un miglioramento rispetto alla cella di riferimento senza l’utilizzo di alcun materiale 2D negli strati la quale presenta un'efficienza del 24,2% per il dispositivo migliore (figura 4). The following table shows the best device performance with PCE of 26.3% over an active area of 1.43 cm <2>. The result shows an improvement compared to the reference cell without the use of any 2D material in the layers which has an efficiency of 24.2% for the best device (Figure 4).

Si può osservare un netto miglioramento di VOC e FF per il dispositivo drogato con grafene, mentre la corrente non è influenzata affatto dalla strategia di drogaggio. A marked improvement in VOC and FF can be observed for the graphene-doped device, while the current is not affected at all by the doping strategy.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI La presente invenzione, in applicazione specifica a dispositivi fotovoltaici multi-giunzione costituiti da uno o più assorbitori con struttura cristallina a perovskite, consta delle seguenti rivendicazioni allo scopo di aumentare tensione di uscita e Fill Factor di suddetti dispositivi: 1) Un processo di doping per uno o più strati selettivi di carica della cella solare a perovskite costituente un dispositivo fotovoltaico tandem mediante materiali 2D (grafene, GRM o altri) che consta dei seguenti passaggi: a. dispersione del materiale o dei materiali 2D in un solvente; b. la dissoluzione del precursore del materiale costituente lo strato selettivo di carica mediante solvente in cui il limite di solubilità dello stesso sia superiore a 1 mg/mL, con seguente omogeneizzazione della soluzione mediante agitazione meccanica per un tempo superiore a 1 minuto; c. l’aggiunta in soluzione di materiali con struttura 2D dalla dispersione ottenuta al punto a. in proporzione compresa tra lo 0.1% e il 50% in peso o in volume e ulteriore omogeneizzazione per un tempo superiore a 1 minuto; d. deposizione della soluzione risultante per realizzare lo strato selettivo di carica mediante tecniche di stampa o di processo da soluzione; e. trattamento termico del film ottenuto con temperatura compresa tra 20 °C e 500 °C per un tempo compreso tra 1 minuto e 3 ore. CLAIMS The present invention, in specific application to multi-junction photovoltaic devices consisting of one or more absorbers with perovskite crystalline structure, consists of the following claims in order to increase the output voltage and Fill Factor of the aforementioned devices: 1) A doping process for one or more selective charge layers of the perovskite solar cell constituting a tandem photovoltaic device using 2D materials (graphene, GRM or others) which consists of the following steps: to. dispersion of the 2D material or materials in a solvent; b. dissolution of the precursor of the material constituting the selective filler layer by means of a solvent in which the solubility limit of the same is greater than 1 mg / mL, with subsequent homogenization of the solution by mechanical stirring for a time greater than 1 minute; c. the addition in solution of materials with 2D structure from the dispersion obtained in point a. in a proportion between 0.1% and 50% by weight or by volume and further homogenization for a time exceeding 1 minute; d. deposition of the resulting solution to form the selective filler layer by printing or solution processing techniques; And. heat treatment of the film obtained with a temperature between 20 ° C and 500 ° C for a time between 1 minute and 3 hours. 2) Il procedimento descritto nella rivendicazione 1) che preveda nel passaggio b. l’utilizzo di una dispersione in un solvente di nanoparticelle o nanocristalli o nanofiocchi del materiale costituente lo strato selettivo di carica. 2) The process described in claim 1) which provides in step b. the use of a dispersion in a solvent of nanoparticles or nanocrystals or nano-flakes of the material constituting the selective filler layer. 3) Il procedimento descritto nella rivendicazione 1) o 2) che preveda l’aggiunta dei materiali 2D in soluzione o dispersione direttamente al passaggio b. 3) The process described in claim 1) or 2) which involves adding the 2D materials in solution or dispersion directly to step b. 4) Una procedura secondo quanto descritto nelle rivendicazioni precedenti e che preveda l’aggiunta di un trattamento ottico UV, luce visibile e/o IR, con picco di emissione ad una lunghezza d’onda compresa tra 150 nm e 1 mm, successivamente, precedentemente o in sostituzione al trattamento termico del passaggio e. della rivendicazione 1); 5) La deposizione di uno strato di passivazione o di protezione costituito da grafene o GRM o qualsiasi materiale 2D come strato (8) e/o (10) e/o (12) in riferimento al disegno in figura 2 secondo la seguente procedura: a. Dispersione del materiale o dei materiali 2D in un solvente; b. Deposizione tramite stampa o tecniche di processo da soluzione della dispersione al punto a.; c. Trattamento termico ad una temperatura compresa tra 20°C e 200°C de l film ottenuto. 4) A procedure according to what is described in the preceding claims and which provides for the addition of an optical UV treatment, visible light and / or IR, with an emission peak at a wavelength between 150 nm and 1 mm, subsequently, previously or in place of the heat treatment of step e. of claim 1); 5) The deposition of a passivation or protection layer consisting of graphene or GRM or any 2D material such as layer (8) and / or (10) and / or (12) with reference to the drawing in figure 2 according to the following procedure: to. Dispersion of the 2D material or materials in a solvent; b. Deposition by printing or process techniques from solution of the dispersion in point a .; c. Heat treatment at a temperature between 20 ° C and 200 ° C of the obtained film.
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