SUPERVISOR
محمدرضا واعظی جزه (استاد مشاور) محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما) علی سعیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Masoud Khosravi
مسعود خسروی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
(The compacted layer of titanium dioxide (TiO 2 ) doped by different percentages of aluminum was used in perovskite solar cell as the electron conducting layer and the effect of aluminum doping content on the properties of the fabricated cell was investigated. The compacted TiO 2 layer which doped by different amounts of aluminum was coated on the FTO substrate by two methods of spray pyrolysis with different thicknesses and spin coating. Using X-ray diffraction (XRD), ultraviolet (UV-Vis) spectroscopy, photoluminescence (PL), Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and atomic force microscopy (AFM), four-point probe and electrochemical analysis, the structural, optical, microscopic and electrical properties of titania layers were investigated respectively. XRD results showed that by increasing aluminum content (from 0 to 5 mol%), the crystallite size and the crystalline plane distance were decreased while the TiO 2 lattice strain was increased. It was also found that increasing Al dopant level (from 0 to 5%), leads to decrease TiO 2 (011) peak intensity while diffraction intensity of TiO 2 (024) plane increases. Also the optical band gap energy of TiO 2 thin films exhibits a blue shift from 3.41 to 3.49 ev by incteasing in Al content, while the traarency, refractive index, grain size and surface roughness of TiO 2 layers were decreases. The results of the four-point probe and Mott-Schottky analysis did not show a marked change in electrical properties of TiO 2 layers by adding Al dopant, but the photoluminescence analysis showed that by increasing the Al amount from 0 to 1 %, the crystalline defects density were decreased while it was enhanced by further increasing in Al amount from 1 to 5 %. The results of current-voltage characteristics and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) showed that the amount of Al content affects the photovoltaic properties of perovskite cells directly, so that by increasing the concentration of aluminum from zero to 1%, the open circuit voltage (V oc ), short-current density (Jsc) and cell efficiency were increased. Further increasing in Al amount from 1 to 5% caused a decrease in these values. Thus the cell made using a TiO 2 layer doped by 1% aluminum has the best photovoltaic characteristics among all the cells. This cell also has the lowest series resistance and the highest shunt resistance. The optimal thickness of the TiO 2 compact layer (which doped by 1% Al content) was measured at 60 nm. It was revealed that the cell which was made by spin coating method (TiO 2 compact layer) relatively has a better performance (8.81%) than the cell was made by spray pyrolysis method (8.61%). The perovskite layer was prepared by four methods of one-step, spin coating- spin coating, spin coating –dip coating and spin coating -physical vapor deposition (PVD). The best performance and stability of the layer is related to the layer which prepared by the spin coating -PVD method. The cell which made by the spin coating– dip coating in 15 mg/ml methyl ammonium iodide (MAI) solution was given the best performance compared to other cells (the cells which made by the same method and immersed in MAI solution with other concentrations ). It was also found that using of hole traort layer (HTM) not only improves the cell efficiency, but also significantly increases cell stability.
لایه فشرده دی اکسید تیتانیوم (TiO 2 ) آلاییده با درصدهای مختلف آلومینیوم، در سلول خورشیدی پروسکایتی به عنوان لایه هدایت کننده الکترون مورد استفاده قرار گرفت و اثر غلظت آلایش آلومینیوم بر خصوصیات سلول ساخته شده بررسی گردید. لایه فشرده تیتانیا آلاییده با مقادیر مختلف آلومینیوم، روی زیرلایه رسانا FTO به دو روش اسپری پیرولیز با ضخامت های مختلف و پوشش دهی چرخشی پوشش دهی شد. با استفاده از آزمون های پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف سنجی فرابنفش- مرئی (UV-Vis)، بیضی سنجی و طیف سنجی فتولومینسانس (PL)، میکروسکوپ الکترونی روبشی میدانی (FESEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، پروب چهار نقطه ای و دستگاه تست الکتروشیمیایی به ترتیب خواص ساختاری، نوری، میکروسکوپی و الکتریکی لایه های تیتانیا مورد بررسی قرار گرفت. نتایج XRD نشان داد که با افزایش آلایش آلومینیوم (از 0 تا 5 درصد مولی) اندازه بلورک های لایه کاهش پیدا می کند و فاصله بین صفحات کریستالی و کرنش شبکه ای لایه تیتانیا به ترتیب کاهش و افزایش می یابد. همچنین مشخص گردید که آلایش لایه تیتانیا با آلومینیوم، باعث افزایش شدت پیک (024) و کاهش شدت پیک (020) می شود. همچنین با افزایش آلایش آلومینیوم، مقدار گاف انرژی و ضخامت لایه ها افزایش ولی میزان شفافیت، ضریب شکست، اندازه دانه ها و زبری سطح کاهش پیدا می کند. نتایج حاصل از آزمون پروب چهار نقطه ای و موت- شاتکی، تغییر خواص الکتریکی مشخصی را در اثر آلایش لایه تیتانیا با آلومینیوم نشان نداد، ولی نتایج آزمون فتولومینسانس مشخص کرد که میزان نواقص بلوری در ابتدا با افزایش آلایش آلومینیوم تا 1%، کاهش یافته ولی با افزایش بیشتر غلظت تا 5% افزایش می?یابد. نتایج آزمون جریان- ولتاژ و امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نشان داد که میزان آلایش آلومینیوم به صورت مستقیم بر خواص فوتوولتائیک سلول های پروسکایتی تاثیرگذار است، به گونه ای که با افزایش غلظت آلومینیوم از صفر به 1%، ولتاژ مدار باز (V oc )، چگالی جریان کوتاه (J sc ) و بازده سلول افزایش یافته در حالی که با افزایش بیشتر مقدار آلومینیوم از 1 به 5% این مقادیر کاهش پیدا می?کنند و سلول ساخته شده با 1% مولی آلومینیوم دارای بهترین عملکرد می باشد؛ همچنین این سلول دارای کمترین مقاومت سری و بیشترین مقاومت شانت نیز می باشد. ضخامت بهینه لایه فشرده تیتانیا با 1% آلومینیوم برابر 60 نانومتر اندازه گیری شد. سلول ساخته شده با لایه تیتانیای چرخشی، عملکرد نسبی بهتری (81/8%) از سلول با لایه تیتانیای اسپری پیرولیز شده (61/8%) دارد. لایه پروسکایت با چهار روش تک مرحله ای، چرخشی- چرخشی، چرخشی- غوطه وری و چرخشی- تبخیر فیزیکی تهیه شد که بهترین عملکرد و پایداری مربوط به لایه تهیه شده به روش چرخشی- تبخیر فیزیکی می باشد. سلول ساخته شده به روش دو مرحله ای چرخشی- غوطه وری در محلول mg/ml 15 بهترین عملکرد را به نسبت دیگر سلول ها (سلول های ساخته شده با همان روش و غوطه ور در محلول MAI با غلظت های دیگر) از خود نشان داد. همچنین مشخص شد که استفاده از لایه انتقال دهنده حفره (HTM) نه تنها باعث بهبود بازدهی و عملکرد سلول می شود، بلکه پایداری سلول را نیز به مقدار قابل توجهی زیاد می کند.