Encapsulation for Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells

Abstract

Perovskite solar cells (PSCs) are a promising photovoltaic technology because of their affordability and high efficiency, yet their long-term stability remains a major challenge. To be able to improve the lifetime and therefore commercial viability of PSCs it is important to understand the factors affecting the stability of the cells, such as exposure to moisture, light and oxygen.

The use of suitable encapsulants could potentially play a crucial role in improving the stability of perovskite solar cells. However, commonly used encapsulation techniques cannot be directly applied to perovskite solar cells, as they differ greatly from, for example, silicon-based solar cells and their degradation mechanisms. This thesis outlines the factors that are important to consider when choosing suitable encapsulants for PSCs. The specific properties of perovskite, including its sensitivity to environmental factors, should be considered when encapsulating the cells. Additionally, to ensure that the manufacturing costs remain low, it is important that the encapsulation process is both simple and easily applicable in industrial scale.

The experimental section of this thesis provides insight on the durability of the encapsulants for real-life applications using the damp heat and light soaking test. Damp heat test provided information on the ability of the encapsulants to withstand extreme conditions, in this case high temperatures and humidity. Light soaking, in turn, allowed to evaluate the durability of the materials in the long term against visible and UV illumination in addition to elevated temperature. The discoloration of the samples was observed through photography, which was indicative of the degradation as well as the durability of the samples to the various factors affecting their stability.

Perovskiittiaurinkokennot ovat lupaava aurinkosähköteknologia niiden edullisuuden, tehokkuuden ja hyvien optisten ominaisuuksien vuoksi. Kennojen kaupallistumista sekä käyttöikää rajoittaa kuitenkin vielä niiden heikko stabiilisuus. Jotta stabiilisuutta voitaisiin parantaa, on tärkeää ymmärtää stabiilisuuteen vaikuttavien tekijöiden, kuten kosteuden, hapen ja valon vaikutuksia kennoihin.

Perovskiittikennojen kapseloimisen ajatellaan olevan yksi tehokkaimmista tavoista parantamaan kennojen stabiilisuutta ulkoisia tekijöitä vastaan. On kuitenkin monia tärkeitä asioita, joita tulisi huomioida perovskiittikennojen kapselointiaineita valittaessa. Esimerkiksi yleisempiin piipohjaisiin aurinkokennoihin käytettyjä kapselointimenetelmiä ei voida hyödyntää perovskiittikennoihin sellaisenaan, sillä näiden ominaisuudet, kuten hajoamismekanismit, eroavat merkittävästi toisistaan. Perovskiitti on myös materiaalina erityisen herkkä eri ympäristövaikutuksille, joka tulisi huomioida kennoja kapseloidessa. Lisäksi olisi tärkeää, että kapselointimenetelmät olisivat yksinkertaisia sekä helposti toteutettavissa, jotta valmistuskustannukset pysyisivät alhaisina myös teollisessa mittakaavassa.

Tutkielman kokeellisessa osuudessa saatiin tietoa kapselointiaineiden soveltuvuudesta todellisiin käyttökohteisiin kosteuslämpökokeen sekä tehostetun valoaltistuksen avulla. Kosteuslämpökokeella saatiin tietoa siitä, miten kapselointiaineet kestävät ääriolosuhteissa, kuten korkeassa ilmankosteudessa ja lämpötilassa. Tehostettu valoaltistus puolestaan auttoi arvioimaan materiaalien kestävyyttä pidemmällä aikavälillä sekä näkyvää että UV-valoa vastaan. Samalla saatiin tietoa materiaalien kestävyydestä korkeissa lämpötiloissa. Näytteissä tapahtuvia värinmuutoksia seurattiin sekä kosteuslämpökokeessa että valoaltistuksessa valokuvauksen avulla. Näin saatiin tietoa eri kapselointiaineiden kulumisesta sekä siitä, kuinka hyvin ne kestivät eri ympäristötekijöiden, kuten kosteuden, valon ja korkeiden lämpötilojen vaikutuksia.