Fabricación y estudio de celdas solares de perovskitas

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cnea.localizacionCentro Atómico Constituyentes
cnea.tipodocumentoTESIS DE DOCTORADO
dc.contributor.advisorPérez, Dolores
dc.contributor.authorHerrera Martinez, Walter Oswaldo
dc.contributor.cneaproductorComisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia de Área Académica. Gerencia Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"
dc.date.accessioned2024-03-21T18:34:47Z
dc.date.available2024-03-21T18:34:47Z
dc.date.created17/7/2023
dc.description.abstractDesde hace ya varios años, la energía solar se ha convertido en una alternativa muy atractiva para la generación de electricidad gracias a su sustentabilidad y su carácter renovable. Las celdas solares son dispositivos que nos permiten convertir la luz solar directamente en electricidad. Con el tiempo este tipo de tecnología ha ido cambiando, siendo de relevancia para su desarrollo gran cantidad de nuevos materiales diferentes a los semiconductores clásicos como el silicio, el germanio o el Arseniuro de Galio, hoy en día se ha avanzado en el estudio y desarrollo de este tipo de dispositivos en base a polímeros y perovskitas orgánicas que destacan por su alta eficiencia y bajo costo de fabricación. En este trabajo se explica como a partir de la deposición de películas delgadas, se fabricaron películas de perovskita de alta calidad cristalina, con las que posteriormente se desarrollaron celdas solares en condiciones ambientales, sin el uso de una caja de guantes, logrado alcanzar eficiencias de hasta el 14%. Para poder lograr dicha eficiencia, primeramente, se realizó una búsqueda exhaustiva de bibliografía, para entender cómo se comportan físicamente los materiales semiconductores, ya que estos son los encargados de realizar todo el proceso de foto conversión. Las celdas solares, básicamente se basan en una juntura PN, que es la unión de dos semiconductores con diferente tipo de dopaje, es decir que cada uno de ellos puede transportar diferentes tipos de carga debido a modificaciones en su estructura cristalina. Además de lo mencionado anteriormente, se estudió como influye sobre la eficiencia de dichos dispositivos el espectro solar que llega hasta la superficie. Una de las ventajas de la fabricación de celdas basadas en materiales de carácter orgánico, es que su síntesis no requiere de equipos complejos y que además los procesos pueden ser escalados posteriormente. Cada una de las capas que conforma la celda debió ser estudiada mediante diferentes técnicas de caracterización, como Microscopia electrónica de barrido, con la que se logró estudiar las propiedades estructurales de las muestras y se determinó los espesores adecuados de cada una de las capas para obtener celdas eficientes, la difracción de rayos X, permitió identificar que las muestras poseían alta cristalinidad y la fase adecuada. Cuando se fabricaban las celdas era necesario estudiar sus características eléctricas mediante curvas de corriente voltaje, de esta forma se pudo identificar que materiales se podían usar como capa transportadora de huecos y también otros factores importantes como la densidad de corriente de cortocircuito que en promedio estaba por encima de los 16 mA/cm2, el voltaje de corto circuito de aproximadamente 1.0 Voltio y Factor de llenado superior al 73%. También se estudió la cantidad de fotones convertidos en electricidad mediante mediciones de eficiencia cuántica externa, en las cuales se observó que las celdas en algunas ocasiones presentaban problemas de absorción en determinado rango de valores. Mediante la técnica rejilla móvil se logró determinar que los portadores de carga de las películas de perovskita tenían movilidades de aproximadamente del orden de 1 × 10-3 cm2V -1 s-1 para electrones y 1x10-2 cm2V -1 s -1 para huecos, que son valores acordes a los reportados en la literatura. Otra parte de este estudio se basó en el análisis de daño por radiación, todo ello mediante el uso del acelerador Tandar, que es un acelerador de iones pesado perteneciente al Centro Atómico Constituyentes y que fue inaugurado en el año 1985. Se estudiaron películas irradiadas con partículas alfa de energía de 2 MeV, 5 MeV y 10 MeV, que sería el tipo de radiación que recibiría una muestra en una órbita baja, todo esto con el fin de analizar la viabilidad del uso de dichas celdas para aplicaciones espaciales. Mediante la técnica de espectroscopia Raman se notó la formación de óxidos de plomo debido a la superficie irradiada altamente reactiva y su interacción con el oxígeno atmosférico, también se aprecio que cuando las muestras irradiadas estaban recubiertas con PMMA (un polímero termoplástico), el espectro no mostraba los picos correspondientes a dichos óxidos. Basados en el análisis con la espectroscopia Raman, se realizaron en simulaciones con el software wxAMPS para determinar qué tipo de defectos se formaban en las muestras, y se usó el software SRIM/TRIM que permite calcular las interacciones entre iones y la materia. Todo lo anterior, con el propósito de estudiar los efectos de radiación en celdas solares de perovskita, para ello se usó una de las líneas del acelerador Tandar, la cual pertenece al departamento Energía Solar de la Comisión Nacional de Energía Atómica CNEA, dicha línea cuenta con una recamara especial para desarrollar diferentes estudios de daño por radiación. Se lograron realizar curvas de corriente voltaje in-situ, mientras se irradiaban las muestras con protones de 10 MeV y dichas mediciones mostraron la gran estabilidad de las celdas frente a dicho tipo de radiación, ya que no se observaron cambios relevantes en la Jsc ni en el Voc.
dc.description.abstractFor several years now, solar energy has become a very attractive alternative for electricity generation due to its sustainability and renewable nature. Solar cells are devices that allow us to directly convert sunlight into electricity. Over time, this type of technology has evolved, and the development of numerous new materials other than classic semiconductors such as silicon, germanium, or gallium arsenide has been crucial. Nowadays, significant progress has been made in the study and development of these devices based on polymers and organic perovskites, which are known for their high efficiency and low manufacturing cost. This work explains how high-quality crystalline perovskite films were fabricated through the deposition of thin films. Subsequently, solar cells were developed using these films under ambient conditions, without the use of a glovebox, achieving efficiencies of up to 14%. In order to achieve such efficiency, an exhaustive literature search was conducted initially to understand the physical behavior of semiconductor materials, as they are responsible for the entire photoconversion process. Solar cells are essentially based on a PN junction, which is the junction of two semiconductors with different doping types. This means that each of them can transport different types of charges due to modifications in their crystalline structure. In addition to what was mentioned earlier, the influence of the solar spectrum reaching the surface on the efficiency of these devices was also studied. One advantage of manufacturing cells based on organic materials is that their synthesis does not require complex equipment, and the processes can be scaled up later. Each layer that makes up the cell had to be studied using different characterization techniques. Scanning electron microscopy was used to study the structural properties of the samples and determine the appropriate thicknesses of each layer to achieve efficient cells. X-ray diffraction was utilized to identify the high crystallinity and proper phase of the samples. During cell fabrication, it was necessary to study their electrical characteristics using current-voltage curves. This helped identify suitable materials as hole transport layers and other important factors such as the short-circuit current density, which averaged above 16 mA/cm2, the short-circuit voltage of approximately 1.0 Volt, and a fill factor above 73%. The amount of photons converted into electricity was examined through external quantum efficiency measurements. It was observed that the cells occasionally exhibited absorption issues within certain value ranges. Using the movable grating technique, the charge carriers' mobilities in the perovskite films were determined to be approximately 1 × 10-3 cm2V -1 s -1 for electrons and 1x10-2 cm2V -1 s -1 for holes, values consistent with those reported in the literature. Another part of this study focused on radiation damage analysis, using the Tandar accelerator, which is a heavy ion accelerator belonging to the Constituyentes Atomic Center and was inaugurated in 1985. Films irradiated with alpha particles of energies 2 MeV, 5 MeV, and 10 MeV were studied, representing the type of radiation a sample would receive in a low Earth orbit. The goal was to analyze the feasibility of using such cells for space applications. Using Raman spectroscopy, the formation of lead oxides was observed due to the highly reactive irradiated surface and its interaction with atmospheric oxygen. It was also noted that when the irradiated samples were coated with PMMA (a thermoplastic polymer), the spectrum did not exhibit the corresponding peaks of those oxides. Based on the Raman spectroscopy analysis, simulations were conducted using the wxAMPS software to determine the types of defects formed in the samples. The SRIM/TRIM software was also used to calculate the interactions between ions and matter. All of these efforts aimed to study the radiation effects on perovskite solar cells. One of the lines of the Tandar 6 accelerator, belonging to the Solar Energy Department of the National Atomic Energy Commission (CNEA), was utilized for this purpose. This line has a special chamber for conducting various radiation damage studies. In-situ current-voltage curves were successfully obtained while irradiating the samples with 10 MeV protons. These measurements demonstrated the remarkable stability of the cells against such radiation, as no significant changes were observed in Jsc (short-circuit current density) or Voc (open-circuit voltage).
dc.description.institutionalaffiliationFil.: Herrera Martinez, Walter Oswaldo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"; Argentina.
dc.description.recordsetseriesEvaluación Académica
dc.format.extent136 p.
dc.identifier.cneaTDO-IS_EA-00179Herrera
dc.identifier.cnea179
dc.identifier.urihttps://nuclea.cnea.gob.ar/handle/20.500.12553/5176
dc.language.ISO639-3spa
dc.publisherComisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia de Área Académica. Gerencia Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"
dc.publisherUniversidad Nacional San Martin. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"
dc.rights.accesslevelinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subject.inisSOLAR ENERGY
dc.subject.inisENERGIA SOLAR
dc.subject.inisSOLAR CELLS
dc.subject.inisCELULAS SOLARES
dc.subject.inisPEROVSKITES
dc.subject.inisPEROVSKITAS
dc.subject.inisTHIN FILMS
dc.subject.inisCAPAS FINAS
dc.subject.inisCONVERSION
dc.subject.inisX-RAY DIFFRACTION
dc.subject.inisDIFRACCION DE RAYOS X
dc.subject.inisSCANNING ELECTRON MICROSCOPY
dc.subject.inisMICROSCOPIA ELECTRONICA POR BARRIDO
dc.subject.inisELECTRIC CONDUCTIVITY
dc.subject.inisCONDUCTIVIDAD ELECTRICA
dc.subject.inisRAMAN SPECTROSCOPY
dc.subject.inisESPECTROSCOPIA RAMAN
dc.subject.inisLEAD OXIDES
dc.subject.inisOXIDOS DE PLOMO
dc.subject.inisSIMULATION
dc.subject.inisSIMULACION
dc.titleFabricación y estudio de celdas solares de perovskitas
dc.typeTESIS
dc.type.openaireinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type.snrdinfo:ar-repo/semantics/tesisdoctoral
dc.type.versioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersion
thesis.degree.grantorUniversidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato".
thesis.degree.nameDoctor en Ciencias y Tecnología mención Física
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