Study of the Merged Annealing method to establish a reproducible fabrication protocol for perovskite solar cells with competitive efficiencies

Abstract

Las celdas solares de perovskita están creciendo a un ritmo sin precedentes, por lo que es importante que los grupos de investigación se mantengan al día con las eficiencias del estado del arte para poder hacer contribuciones más relevantes. En este trabajo, se implementó el método de recocido combinado en busca de un protocolo de fabricación reproducible para celdas solares de perovskita MAPbI3 invertidas de alto rendimiento. Este consistió en depositar una capa de PCBM encima de la perovskita antes de iniciar su recocido para retrasar la evaporación de los solventes residuales de la solución precursora. Los resultados mostraron que este método es capaz de producir cristales más grandes con un tiempo de vida del portador de carga mayor en comparación con el método convencional. Esto resultó en mejores corrientes y voltajes de corto circuito y una eficiencia de conversión de potencia récord del 13.6%. Sin embargo, se observó que la formación de estructuras con forma de aguja después del recocido combinado limitaba el aumento en la eficiencia. Se demostró que varios parámetros de fabricación estaban relacionados con este fenómeno, a saber, el tipo de sustrato, la relación DMF a DMSO en la solución precursora, la calidad de la capa de PCBM y la temperatura de recocido. Al reducir la cantidad de DMSO, se produjo una película sin rugosidad a expensas de tamaños de cristal más pequeños y eficiencias más bajas, pero factores de relleno superiores al 80%. Finalmente, las celdas solares de MAPbI3 se compararon con celdas solares de FACsPbI3 recocidas convencionalmente que tenían un bandgap más bajo y un tiempo de vida del portador de carga mayor. Se observó que la perovskita FACsPbI3 produjo corrientes de cortocircuito más altas, pero que la perovskita MAPbI3 depositada a través del recocido combinado logró mayores factores de llenado y mayores voltajes de circuito abierto.

Perovskite solar cells are growing at an unprecedented rate, so it is important that research groups keep up with state-of-the-art efficiencies to make more relevant contributions. In this work, the Merged Annealing method was implemented in search of a reproducible fabrication protocol for high-performing, inverted MAPbI3 perovskite solar cells. It consisted in depositing a PCBM layer on top of the perovskite before its annealing, in order to delay the evaporation of residual precursor solvents. The results showed that this method was able to produce bigger crystals with longer charge-carrier lifetimes compared to the conventional method. This implied better short circuit currents and voltages, and a champion power conversion efficiency of 13.6%. However, it was noticed that the formation of needle-like structures after the Merged Annealing was limiting the improvement in efficiency. It was demonstrated that several fabrication parameters were related to this phenomenon, namely the type of substrate, the DMF to DMSO ratio in the precursor solution, the quality of the PCBM layer and the temperature of annealing. By reducing the amount of DMSO, a film without roughness was produced at the expense of smaller crystal sizes, lower efficiencies but fill factors above 80%. Finally, the MAPbI3 solar cells were compared to conventionally annealed FACsPbI3 solar cells, which had a lower band-gap and higher charge-carrier lifetimes. It was observed that the FACsPbI3 perovskite yielded higher short circuit currents, but that the MAPbI3 perovskite deposited through Merged Annealing achieved higher fill factors and open circuit voltages.