On the toxicity of metal halide perovskite absorbers and their environmentally friendly deposition with gas quenching for the fabrication of state-of-the-art solar cells

Abstract

Ondanks de indrukwekkende vooruitgang in het veld – zoals blijkt uit het huidige gecertificeerde record rendement van 25.2% voor een single junctie zonnecel (onderzoekscel) en het record silicium-perovskiet tandemrendement van 29.1% – blijft een belangrijk nadeel van de meeste state-of-the-art perovskiet gebaseerde dunne films dat: (i) de absorber wordt afgezet met behulp van gecompliceerde, niet-schaalbare en niet-reproduceerbare methoden waarbij gevaarlijke oplosmiddelen worden gebruikt, en (ii) ze bestaan uit het extreem giftige zware metaal lood. Daarom focust dit proefschrift op materiaalafzetting en materiaaltoxiciteit van metaalhalogenide perovskiet zonnecellen om de druk te verlichten die deze aspecten uitoefenen op de toekomstige groei en ontwikkeling van een anders veelbelovende fotovoltaïsche technologie. Uit Hoofdstuk 2 kan worden geconcludeerd dat complex-geassisteerd gasdoving een ideale depositietechniek is die belangrijke elementen zoals reproduceerbaarheid, schaalbaarheid en duurzaamheid combineert. Verder toont deze thesis aan dat consistente en respectabele rendementen met de depositie verkregen kunnen worden, met compatibiliteit voor eenvoudige integratie in bestaande grootschalige roll-to-roll depositietechnieken, ongeacht de samenstelling van de actieve laag of de architectuur van de zonnecel. De waargenomen verbeteringen worden gerationaliseerd door een significante verbetering van de dunne film morfologie door de aanwezigheid van een intermediaire complex-geassisteerde fasen, waardoor controle over de kristallisatiedynamiek mogelijk is. Dit heeft geresulteerd in de moeiteloze realisatie van ultramoderne multi-anion en multikation perovskiet zonnecellen, waardoor in deze thesis het tevens mogelijk was om de rol van het alkalimetaal rubidium (in toevoeging tot cesium) bij de eliminatie van micron-grote en spectrale inhomogeniteiten in de perovskite dunne film te ellucideren; wat een verhoging van het gestabiliseerde vermogen van overeenkomstige kampioen zonnecellen mogelijk heeft gemaakt van 18.50% tot 20.01% (in n-i-p configuratie). Verder wordt er in Hoofdstuk 3 een meer fundamenteel begrip van tin oxidatie verkregen, en wordt een duidelijk inzicht verworven van mitigatie strategieën op basis van (i) precursorcontrole, (ii) reductiemiddelen en (iii) co-complexering. Hieruit blijkt dat de stabiliteit en het vermogen van op tin gebaseerde perovskieten sterk afhankelijk zijn van de zorg die in meerdere fasen van het gehele fabricageproces wordt genomen tegen oxidatie. Er wordt aangetoond dat oxidatie reeds aanwezig kan zijn in zogenaamd zuivere ruwe precursorzouten, waardoor de prestaties van overeenkomstige zonnecellen al vóór de bereiding van de oplossing kan worden beïnvloed. In overeenstemming met Hoofdstuk 2 wordt het gebruik van antioplosmiddelvrije complex-geassisteerde gasdoving gedemonstreerd voor de depositie van deze tin gebaseerde materiaalsystemen, om de uitdagingen van de snelle kristallisatie (bij kamertemperatuur) te overwinnen alsook om bij te dragen aan de algehele ecologische duurzaamheid van de technologie. Net zoals bij op lood gebaseerde perovskieten, wordt er aangetoond dat gasdoving een meer gecontroleerde kristallisatie mogelijk maakt van de anders spontane kristallisatie van op tin gebaseerde perovskieten. Een systematisch onderzoek toont aan dat gasdoving moeiteloos resulteert in superieure morfologie, kristalliniteit en opto-elektronische eigenschappen van de meest archetypische op tin gebaseerde perovskiet MASnI3. Dit onderzoek is momenteel nog niet afgerond, maar alle inzichten gecombineerd kan er reeds competitieve vermogen gedemonstreerd worden in dit proefschrift voor de lood-tin gebaseerde perovskiet zonnecel op basis van de compositie FA0.75Cs0.25Sn0.4Pb0.6I3 van maar liefst 15%. Ten slotte, in Hoofdstuk 4, rapporteert het proefschrift een directe vergelijking van de toxiciteit van op lood en tin gebaseerde perovskieten in het modelorganisme Zebravis Danio rerio. Met behulp van het Zebrafish Embryo Toxicity Test (ZFET)-protocol in overeenstemming met de gevestigde richtlijnen van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO), wordt een directe vergelijking gemaakt tussen de degradatieproducten van beide archetypische perovskieten. Er wordt aangetoond dat, hoewel tin lethaler is dan lood, de toxiciteit niet direct wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van het metaal zelf, en dus voorzichtig moet benaderd worden. In plaats daarvan wordt verduidelijkt dat er sprake is van een indirecte mediumverzuring van de waterorganismen, en wordt er ondanks de hogere toxiciteit benadrukt dat tin vergiftiging daarom gemakkelijker kan worden tegengegaan en vermeden in vergelijking met de nadelige effecten die worden waargenomen bij blootstelling aan lood. Daarnaast wordt de toxiciteit van beide metalen in een meer algemeen perspectief geplaatst in de vorm van een milieu levenscyclusanalyse. Hier wordt in elke fase onthuld dat er in een bredere context bezorgdheid blijft bestaan met betrekking tot de toxicologische gevaren die samenhangen met de veelbelovende fotovoltaïsche technologie.