Enhancement of energy harvesting systems efficiency by atmospheric pressure plasma treatment

Masoud Shekargoftar, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Oblast fotovoltaiky (PV) je poháněna touhou vyrábět levné a vysoce efektivní solární články. Od roku 2009 došlo v tomto oboru k rychlému vývoji tzv. perovskitových solárních článků (PSC). Technologie PSC však čelí výzvám, jako je stabilita prostředí a hystereze, které je třeba vyřešit, pokud mají být PSC komercializovány. Primární faktory ovlivňující efektivnost PSC jsou povrchové vlastnosti vrstev a rozhraní mezi vrstvami. Vlastnosti rozhraní nemají vliv pouze na účinnost, ale také významně ovlivňují stabilitu zařízení a pohyblivost nosiče náboje vrstvami. V předkládané práci jsme zkoumali účinky povrchových úprav plazmatem na vlastnosti vrstev a rozhraní v PSC. Zdroje plazmatu generovaného za atmosférického tlaku (APP) jsme využili pro zpracování širokého spektra materiálů v různých procesech povrchového inženýrství; i) předúprava levných a flexibilních substrátů, ii) úprava elektrod použitých v optoelektronických zařízeních a solárních článcích, iii) post-úprava aktivních vrstev, iv) úprava plazmatem jako alternativní metoda k tepelnému žíhání. Povrchy upravené plazmate jsme zkoumali pomocí široké škály metod pro detekci povrchových změn. Zjistili jsme, že APP může změnit smáčivost, morfologii, tzv. bandgap, optické a elektrické vlastnosti povrchu, což významně ovlivnilo výkon a stabilitu solárních článků. Zde prezentujeme výsledky modifikací povrchů plazmatem jako kolekci recenzovaných publikací, k nimž autor významně přispěl. Část výsledků je v době přípravy práce v procesu publikování a do některých publikovaných článků jsme přidali některé doplňkové výsledky.

Abstract:

The field of photovoltaics (PV) is driven by the desire to fabricate low-cost and high-efficiency solar cells. Since 2009, this field has experienced rapid development of perovskite solar cells (PSCs). However, PSCs technologies are facing challenges such as environmental stability and hysteresis, which need to be addressed before the commercialization. Primary factors affecting the performance of PSCs are the surface properties of the fabricated layers and interfaces between the layers. The interface characteristics are not only related to the efficiency of the device but also significantly influence the device stability and charge carrier mobility through the layers. In the presented thesis, we investigated the effects of plasma processing on the properties of the interfaces in solar cells. We employed atmospheric pressure plasma (APP) sources for processing of wide range of materials in various processes of interface engineering; (i) APP pre-treatment of the low-cost and flexible substrates, (ii) APP processing of the electrodes used in optoelectronic devices and solar cells, (iii) APP post-treatment of the active layers, (iv) APP plasma processing as an alternative method to thermal annealing. We investigated the plasma-processed surfaces by a wide range of the surface characteristics tools to monitor the plasma-induced changes. We observed that APP can change the wettability, morphology, band energy, optical and electrical properties of the surface which significantly affected the performance and stability of the devices. Herein, we present the results of the investigations as a collection of peer-reviewed publications to which the author made a significant contribution. In addition, part of the results is under review by the time of the thesis preparation and we also added some complementary results to some of the published articles.

Keywords

atmospheric plasma, dielectric barrier discharge, DCSBD, surfaces, interfaces, solar cells, perovskite, flexible materials

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 11. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 9. 12. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Tomáš Homola, PhD.
• Reader: doc. Ing. Zdenka Kozáková, PhD., doc. RNDr. Milan Mikula, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics