Pb-free perovskite solar cells with long-term stability - V4-Korea project  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
127069
Type NN
Principal investigator Kamarás, Katalin
Title in Hungarian Ólommentes, hosszú távon stabil napelemek - V4-koreai projekt
Title in English Pb-free perovskite solar cells with long-term stability - V4-Korea project
Keywords in Hungarian napelemek, energiakonverzió, perovszkit
Keywords in English solar cells, energy conversion, perovskites
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Botka, Bea
Datz, Dániel
Kováts, Éva
Németh, Gergely
Özeren, Mehmet Derya
Starting date 2018-01-01
Closing date 2021-12-31
Funding (in million HUF) 33.517
FTE (full time equivalent) 9.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A perovszkit alapú napelemek ígéretes lehetőséget jelentenek tiszta energia termelésére a közeljövőben. Annak ellenére, hogy több kutatócsoportnak sikerült 22% feletti konverziós hatásfokot elérnie, a gyakorlati alkalmazás még nem történt meg, mivel a napelemek stabilitása nem megfelelő és a perovszkitok alapját képező ólom mérgező. További probléma, hogy az általánosan alkalmazott töltésátvivő anyag (HTM, Spiro-OMeTAD) költsége többszöröse az aranyénak vagy a platináénak. Ezeknek a hiányosságoknak a megszüntetése céljából a projektben arra törekszünk, hogy nagy hatásfokú ólommentes perovszkit napelemeket állítsunk elő. Ennek érdekében gondosan hangoljuk az aktív perovszkitréteg tiltott sávját és energiaszintjeit, és megfelelő sávszerkezetű aktív réteg/pufferréteg szerkezeteket hozzunk létre. Az ólommentes perovszkitokon alapuló eszközök stabilitása tovább növelhető azzal, hogy a hagyományos Ag/Al vagy Au elektródokat és a Spiro-OMeTAD töltésátvivő réteget szénalapú elektródokkal, illetve újfajta hidrofób töltésátvivő réteggel helyettesítjük. A munka nemzetközi együttműködésben folyik, koreai, szlovák, cseh, lengyel és magyar részvétellel. Az ólommentes perovszkit napelemek készítésekor a perovszkitréteget bevonjuk a szénalapú elektróddal, majd elvégezzük a tokozást. A projekt célja, hogy az ólommentes perovszkit napelemek jelenlegi hatásfokát (~6%) és stabilitását lényegesen megnöveljük, megnyitva az utat az ipari alkalmazások felé.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt célja ólommentes perovszkit napelemek hatásfokának és stabilitásának javítása átlátszó oxid alapú új elektronátvivő réteg, ólommentes perovszkit aktív réteg, új, olcsó lyukátvivő réteg és szénelektród alkalmazásával. Ennek érdekében a konzorcium koreai, szlovák, cseh, lengyel és magyar tagjai jól meghatározott feladatokat vállalnak.
A magyar kutatócsoport célja, hogy sötét és fotoindukált optikai spektroszkópiai módszerekkel jellemezze az ólommentes perovszkit alapanyagokat, az elektron- és lyukátvivő rétegeket, valamint a szénalapú elektródokat.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az ABX3 (A= CH3NH3, CH5N3, Cs; B= Pb, Sn; X= I, Br, Cl) képletű perovszkit anyagok egyre nagyobb figyelmet váltanak ki kiváló optikai és elektromos tulajdonságaiknak köszönhetően, és előállításuk oldatból, alacsony költséggel megoldható. A perovszkitok konverziós hatásfoka lényegesen nőtt az utóbbi időben (3%-ról 22%-ra) és még mindig növekszik, amivel a közeljövő egyik legígéretesebb optoelektronikai anyagaivá váltak. Ugyanakkor az ólomalapú perovszkitok veszélyesek az élővilágra és ezért helyettesítendők. Ezt a célt szolgálják a nemrégen kifejlesztett ólommentes perovszkit napelemek. Ezek hatásfoka viszont csak 6% körüli, ami messze elmarad az ólomtartalmú anyagokétól. A perovszkitok további általános hátránya az alacsony stabilitás levegőn, ami a felhasználást megnehezíti. A hosszú élettartamú ólommentes perovszkit napelemek céljából szükséges az ólommentes aktív perovszkitréteg, a hidrofób elektronátvivő réteg, a lyukátvivő réteg és az elektródok kifejlesztése, illetve optimalizálása. A projekt célja az ólommentes perovszkit alapú napelemek hatásfokának és stabilitásának növelése a töltésátvivő rétegek vezetőképességének és sávszerkezetének, az aktív réteg tiltott sávjának finomhangolása, valamint megfelelő szénalapú elektródok kifejlesztése által.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az ólomjodidból és szerves csoportokból álló perovszkitok a legjobb napelem-alapanyagok, amiket az utóbbi években felfedeztek, és hatásfokuk minden eddiginél magasabb. A projekt során ilyen napelemeket szeretnénk továbbfejleszteni 1.úgy, hogy az ólmot kevésbé veszélyes és mérgező anyagokkal helyettesítjük, 2. úgy, hogy szénalapú elektródokat alkalmazunk, amik biokompatibilissé teszik a napelemeket. A továbbfejlesztett napelemekben a töltés- és energiaátadást változatos kísérleti módszerekkel jellemezzük, nemzetközi együttműködésben, koreai, szlovák, cseh, lengyel és magyar részvétellel. A magyar résztvevők a termékek spektroszkópiai jellemzését végzik el, továbbá a fény hatására bekövetkező folyamatokat vizsgálják.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Perovskite solar cells have been realized as promising candidate for producing clean energy in near future. Despite the fact that the power conversion efficiency (PCE) over 22% has been demonstrated by several groups, perovskite solar cells still have not been considered for the commercialization yet due to its low stability and the toxicity cases by heavy metal (Pb). Furthermore, the most common hole transporting material (HTM, Spiro-OMeTAD) is even several times more expensive than gold or platinum. To overcome the major issue of the present perovskite solar cells, this project will devote to fabricate the high performance lead free perovskite solar cells by carefully tailoring the band gap, energy level of perovskite active layer as well as modulate the energy level between active layer and buffer layer. In addition, the stability of lead free perovskite will be significantly enhanced by replacing the conventional Ag/Al or Au electrodes and Spiro-OMeTAD by hydrophobic carbon based electrodes and new hydrophobic HTM. The work will be accomplished though the collaboration among Korean, Slovakian, Czech, Hungarian and Polish groups. To complete the fabrication of lead free perovskite solar cells, the carbon based electrode will be blade coated on the top of perovskite and the encapsulation will be performed. It is expected that this project will successfully overcome the current limit in power conversion efficiency of lead free perovskite solar cell (~6%) and its stability will be improved significantly, bringing it one more step close to the commercialization.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of this project is improving the power conversion efficiency and stability of lead free perovskite solar cells using new electron-selective layer with transparent oxide layer, lead free perovskite active layer, new cheap hole transport layer, and carbon electrode. In order to achieve this goal, the consortium including Korean, Slovakian, Czech, Hungarian and Polish groups will be in charge of the accomplishment of each specific objective written below.

The objective of Hungarian group is to characterize the synthesized Pb free perovskite materials, new electron selective layer, new organic HTM, and carbon based electrode by dark and photoinduced optical spectroscopy.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Perovskite materials with formula ABX3 (A= CH3NH3, CH5N3, Cs; B= Pb, Sn; X= I, Br, Cl) are gaining more and more attention due to their excellent optical, electrical properties and can be manufactured via low cost solution process. The power conversion efficiency of perovskite has been dramatically increased from 3 % to 22 % and keeps growing, making them the most promising candidate for energy production in near future. However, Pb based perovskite materials are hazard to living object and environment which need to be replaced. Recently, the lead free perovskite solar cell has been developed. Nevertheless, the obtained efficiency was limited around 6 %, which is far below the record for Pb based perovskite solar cells. Furthermore, perovskite solar cells still have not been considered for the commercialization yet due to their low stability in air. Therefore, the development of Pb free perovskite active layer and synthesis of hydrophobic electron transport layer, hole transport layer and electrodes are needed for Pb free perovskite solar cells with long-term stability. In this project, our purpose is improving the power conversion efficiency and stability of lead free perovskite solar cells via optimizing energy level and conductivity of oxide electron transport layer with new electron collecting layer, optical band gap and energy level of lead free perovskite active layers, new organic hole transport layer, and carbon top electrode.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Perovskite materials, consisting of organic groups and lead halides, are the best solar cell precursors that have been discovered in the past few years and have shown unprecedented efficiency. We want to improve such cells 1. replacing the lead with less hazardous and toxic materials; 2. use carbon as top electrode to make the cells biocompatible. We will study the charge and energy transport in the improved cells by various characterization method in international collaboration with Korea, Slovakia, Czech Republic and Poland. The Hungarian partner will be responsible for spectroscopic characterization of static and photoinduced processes in the developed structures.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A perovszkit típusú anyagok, amelyek alapszerkezete szerves ionokkal adalékolt fémhalogenid, az elmúlt néhány évben nagy fényelnyelő hatásfokuk, valamint kedvező és hangolható (vezetési) sávszélességük miatt a fotovillamos (PV) kutatás előterébe kerültek. A széleskörű hasznosítás egyik akadálya a hosszútávú stabilitás hiánya, aminek megoldására számos törekvés történt a közelmúltban. Jelen projektben hibrid perovszkit anyagok továbbfejlesztésének irányait vizsgáltuk. Ennek keretében javaslatot tettünk egy új, csökkentett ólomtartalmú perovszkit aktív rétegre (Pb(SCN)2-vel adalékolt CH(NH2)2SnI3), és egy új lyuktranszport rétegre (bTAThDaz). Tiszta és kevert halogenid perovszkitok stabilitását a leválasztást követő oldószeres kezelés függvényében tanulmányoztuk, és javaslatot tettünk olyan eljárásokra, amik a felületi stabilitást növelik. A szervetlen optoelektronikus anyagok területén nanokristályos SiC-ban a divakancia-centrumok infravörös kibocsátását mutattuk ki.
Results in English
Perovskite-type materials, with the basic structure containing metal halides and organic ions, have emerged to the forefront of photovoltaic studies due to their large light absorbing efficiency and their tunable band gap that can be optimized to the exciting light. One obstacle in the way of wide-range applications is the lack of long-term stability, where considerable effort has been devoted recently. In the present project, we investigated the possibilities of further development of hybrid perovskite materials. We suggested a new perovskite active layer with reduced lead content (CH(NH2)2SnI3 combined with Pb(SCN)2) and a new hole transport layer (bTAThDaz). We studied the stability of pristine and mixed halide perovskites as a function of post-treatment with various solvents, and proposed procedures that increase the surface stability. In the area of inorganic optoelectronic materials, we detected infrared emission from divacancy centers in nanocrystalline silicon carbide.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=127069
Decision
Yes





 

List of publications

  
K. Kamarás, M.D. Özeren, Á. Pekker, M. Spina, B. Náfrádi, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Photochemical studies on perovskite – carbon nanotube hybrids, Egypt Nano Technology Center EGNC Conference,, Cairo, Dec 18, 2018, 2018
K. Kamarás, M.D. Özeren, Á. Pekker, M. Spina, B. Náfrádi, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Photoinduced spectroscopic studies on perovskite-based solar cell materials, Korea-V4 kickoff meeting, Prague, Nov 23, 2018, 2018
Beke D, Valenta J, Károlyházy Gy, Lenk S, Czigány Zs, Márkus BG, Kamarás K, Simon F, Gali A: Room-Temperature Defect Qubits in Ultrasmall Nanocrystals, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 11: pp. 1675-1681., 2020
K. Kamarás, L. Badeeb, M.D. Özeren, Á. Pekker, S.K. Abdel-Aal, A.S. Abdel-Rahman, P. Andricevic, L. Forró, L. Horváth: Investigation of charge dynamics and photoinduced charge transfer in metal halide perovskite/carbon nanotube composites by vibrational spectroscopy, Bulletin of the American Physical Society 64:V20.00013, 2019
Heo D.Y., Lee T.H., Iwan A., Kavan L., Omatova M., Majkova E., Kamarás K., Jang H.W., Kim S.Y.: Effect of lead thiocyanate ions on performance of tin-based perovskite solar cells, JOURNAL OF POWER SOURCES 458: 228067, 2020
M.D. Özeren, B. Botka, Á. Pekker, K. Kamarás, M. Spina, B. Náfrádi, M. Kollár, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Lead halide perovskites and PPL: Vibrational spectroscopy studies, Korea-V4 project meeting, Dec 6, 2019
Bogdanowicz K.A., Jewłoszewicz B., Iwan A., Dysz K., Przybyl W., Januszko A., Marzec M., Cichy K., Świerczek K., Kavan L., Zukalová M., Nadazdy V., Subair R., Majkova E., Micusik M., Omastova M., Özeren M.D., Kamarás K., Heo D.Y., Kim S.Y.: Selected electrochemical properties of 4,4'-((1E,1'E)-((1,2,4-thiadiazole-3,5-diyl)bis(azaneylylidene))bis(methaneylylidene))bis(N,N-di-p-tolylaniline) towards perovskite solar cells with 14.4% efficiency, MATERIALS 13: (11) 2440, 2020
Özeren M.D., Botka B., Pekker Á., Kamarás K.: The Role of Potassium in the Segregation of MAPb(Br0.6I0.4)3 Mixed-Halide Perovskite in Different Environments, PHYSICA STATUS SOLIDI - RAPID RESEARCH LETTERS 14: (12) 2000335, 2020
Bogdanowicz K.A., Jewłoszewicz B., Iwan A., Dysz K., Przybyl W., Januszko A., Marzec M., Cichy K., Świerczek K., Kavan L., Zukalová M., Nadazdy V., Subair R., Majkova E., Micusik M., Omastova M., Özeren M.D., Kamarás K., Heo D.Y., Kim S.Y.: Selected electrochemical properties of 4,4'-((1E,1'E)-((1,2,4-thiadiazole-3,5-diyl)bis(azaneylylidene))bis(methaneylylidene))bis(N,N-di-p-tolylaniline) towards perovskite solar cells with 14.4% efficiency, MATERIALS 13: (11) 2440, 2020
M.D. Özeren, B. Botka, Á. Pekker, K. Kamarás, M. Spina, B. Náfrádi, M. Kollár, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Lead halide perovskites and PPL: Vibrational spectroscopy studies, Korea-V4 project meeting, Bratislava, Dec 6, 2019
Özeren M.D., Botka B., Pekker Á., Kamarás K.: The Role of Potassium in the Segregation of MAPb(Br0.6I0.4)3 Mixed-Halide Perovskite in Different Environments, PHYSICA STATUS SOLIDI - RAPID RESEARCH LETTERS 14: (12) 2000335, 2020
Á. Pekker, M.D. Özeren, B. Botka, K. Kamarás: Effect of potassium addition on the segregation and degradation of MAPb(Br0.6I0.4)3 mixed halide perovskites, Joint Conference of the Condensed Matter Divisions of EPS (CMD) and RSEF (GEFES), online, Aug. 31. - Sep. 4, 2020
M.D. Özeren, B. Botka, Á. Pekker, K. Kamarás:: In depth study of complex perovskite-solvent interactions by in situ photoluminescence spectroscopy, Materials Research Society Fall Meeting&Exhibit, online, Dec. 6 - 8, 2021
K. Kamarás, M.D. Özeren, Á. Pekker, M. Spina, B. Náfrádi, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Photochemical studies on perovskite – carbon nanotube hybrids, Egypt Nano Technology Center EGNC Conference,, Cairo, Dec 18, 2018
K. Kamarás, L. Badeeb, M.D. Özeren, Á. Pekker, S.K. Abdel-Aal, A.S. Abdel-Rahman, P. Andricevic, L. Forró, E. Horváth: Investigation of charge dynamics and photoinduced charge transfer in metal halide perovskite/carbon nanotube composites by vibrational spectroscopy, American Physical Society March Meeting, Boston, Massachusetts, March 4-8, 2019
B. Botka, Á. Pekker, M.D. Özeren, G. Németh, H.M. Tóháti, Zs. Szekrényes, P. Andricevic, B. Náfrádi, M. Kollár, E. Horváth, L. Forró, K. Kamarás: Optical measurements on perovskite-carbon nanomaterial interfaces, The XXXIII Conference “Materials Science and applications & Workshop on Graphene Applications”, The Egyptian Materials Research Society, Hurgada, Egypt, Nov. 27-30, 2019
K. Kamarás, M.D. Özeren, Á. Pekker, M. Spina, B. Náfrádi, L. Forró, E. Horváth, S. Kamal, A. Sabry: Photoinduced spectroscopic studies on perovskite-based solar cell materials, Korea-V4 kickoff meeting, Prague, Nov 23, 2018




 

Events of the project

  
2020-02-20 17:48:57
Résztvevők változása
2018-10-15 15:34:42
Résztvevők változása



Back »