Tesis por compendio / [ES] Las perovskitas orgánico-inorgánicas de halogenuros son una familia de materiales estudiados en profundidad por su potencial para construir células solares de alta eficiencia y de bajo coste. Han experimentado un crecimiento exponencial de la eficiencia, pasando del 3% del PCE en 2009 a más del 25% en 2021. Pero todavía quedan retos por superar, como la estabilidad. El objetivo del trabajo es estudiar diferentes tipos de HOIP para aplicaciones fotovoltaicas, incluyendo la optimización del proceso de fabricación y la caracterización completa mediante el análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de escaneo de emisión de campo, microscopio de fuerza atómica, fotoluminiscencia, UV-absorción visible, cálculo de band-gap, microscopía electrónica de transmitancia, simulación teórica y estudio de degradación de las películas. El objetivo del análisis es obtener la cristalinidad, morfología, topografía, propiedades ópticas, PCE y estabilidad de las capas. Se utilizaron varias estrategias para cumplir el objetivo del trabajo, incluyendo el dopaje con distintos compuestos, la ingeniería de extinción antisolvente y el cambio del catión "B" en la fórmula de las perovskitas; ABX3. La presente disertación se centra en el yoduro de plomo de metilamonio III (CH3NH3I3), que es conocido por presentar una absorción directa de bandgap desde la parte superior de la banda de valencia hasta la parte inferior de la banda de conducción. El bandgap puede modificarse fácilmente variante A, B y X y modularse mediante la selección adecuada de cationes mixtos. Entre las combinaciones posibles, el catión MA y el metal Pb2+ han mostrado excelentes propiedades optoelectrónicas, capas procesables en disolución a baja temperatura y potencial para una estabilidad adecuada, debido a la movilidad del portador de carga muy alta, la gran longitud de difusión de electrones y agujeros, grandes coeficientes de absorción, y bajas tasas de recombinación no radiativa. Concretamente, este doctorado se compone de cuatro artículos: - Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping - Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films - Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering - Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells En resumen, el dopaje de bismuto mejoró la estructura cristalina de la capa absorbente de MAPbI3, mejorando las propiedades optoelectrónicas, la morfología de la superficie de las capas y la estabilidad de los dispositivos. Se estudió el dopaje con bismuto introduciendo cantidades variables de bismuto entre el 1 y el 8% en la solución inicial. Los mejores resultados se obtuvieron con un 2% de bismuto. También se analizó el dopaje con TBA introduciendo diferentes proporciones en la mezcla inicial para la síntesis de capas de MAPbI3. Observamos que un 5% de TBA reduce la densidad de agujeros en las capas y mejora la cristalinidad, mejorando la estabilidad de las capas MAPbI3. Con la proporción óptima de TBA, aumenta el tamaño del grano y la intensidad de la fotoluminiscencia, debido a la disminución de los centros de recombinación. Dado que el plomo es un elemento contaminante, sustituimos a Pb por Sn para obtener capas de MASnI3, lo que provocó un aumento del tamaño del grano y una mejora del coeficiente de absorción de la luz. Sin embargo, el MASnI3 es más inestable que el MAPbI3. Por eso, se utilizaron diferentes antisolventes en la síntesis de MASnI3. Conocida como ingeniería antisolvente, esta técnica estudia varios antisolventes. En este trabajo, el tolueno ha logrado mejorar la estabilidad de las capas de MASnI3. Utilizando un enfoque numérico mediante SCAPS-1D, se calculó que la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos de MASnI3 aumenta un 9,5% en comparación con los dispositivos de MAPbI3. / [CAT] Les perovskites orgàniques-inorgàniques d'halogenurs són una família de materials estudiats en profunditat pel seu potencial per construir cèl·lules solars d'alta eficiència i de baix cost. Han experimentat un creixement exponencial de l'eficiència, passant del 3% del PCE el 2009 a més del 25% el 2021. Però encara queden reptes per superar, com l'estabilitat. L'objectiu d'aquest treball és estudiar diferents tipus de HOIP per a aplicacions de cèl·lules solars, incloent l'optimització del procés de fabricació i la caracterització completa mitjançant l'anàlisi de difracció de raigs X, microscòpia electrònica d'escaneig d'emissió de camp, microscopi de força atòmica, fotoluminescència, UV- absorció visible, càlcul de band-gap, microscòpia electrònica de transmitància, simulació teòrica amb SCAPS-1D i estudi de degradació de les pel·lícules. L'objectiu de l'anàlisi és obtenir la cristalinitat, morfologia, topografia, propietats òptiques, PCE i estabilitat de les capes. Es van utilitzar diferents estratègies per complir l'objectiu del treball, incloent el dopatge amb diferents compostos, l'enginyeria d'extinció antisolvent i el canvi del catió "B" en la fórmula general de les perovskites; ABX3. La present dissertació se centra en el iodur de plom de metilamoni III (CH3NH3I3), que és conegut per presentar una absorció directa de bandgap des de la part superior de la banda de valència fins a la part inferior de la banda de conducció. El bandgap es pot modificar fàcilment variant A, B i X i modular-se mitjançant la selecció adequada de cations mixts. Entre les combinacions possibles, el catió MA i el metall Pb2+ han mostrat excel·lents propietats optoelectròniques, capes processables en dissolució a baixa temperatura i potencial per a una estabilitat adequada, a causa de la mobilitat del portador de càrrega molt alta, la gran longitud de difusió d'electrons i forats, grans coeficients d'absorció, i baixes taxes de recombinació no radiativa. Concretament, aquest doctorat es compon de quatre articles: -Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping -Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films -Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering -Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells En resum, el dopatge de bismut ha millorat l'estructura cristal·lina de la capa absorbent de MAPbI3, millorant les propietats optoelectròniques, la morfologia de la superfície de les capes i l'estabilitat dels dispositius. Es va estudiar el dopatge amb bismut introduint quantitats variables de bismut entre l'1 i el 8% en la solució inicial. Els millors resultats es van obtenir amb un 2% de bismut. També es va analitzar el dopatge amb tetrabutilamoni introduint diferents proporcions de TBA a la mescla inicial per a la síntesi de capes de MAPbI3. Observem que afegir un 5% de TBA a la mescla inicial redueix la densitat de forats a les capes i millora la cristal·linitat, millorant en l'estabilitat de les capes MAPbI3. Amb la proporció òptima de TBA, augmenta la mida del gra i la intensitat de la fotoluminescència, a causa de la disminució dels centres de recombinació. Com que el plom és un element contaminant, vam substituir Pb per Sn per obtenir capes de MASnI3, cosa que va provocar un augment de la mida del gra i una millora del coeficient d'absorció de la llum. Tanmateix, el MASnI3 és més inestable que el MAPbI3. Per això, es van utilitzar diferents antisolvents en la síntesi de MASnI3. Coneguda com a enginyeria antisolvent, aquesta tècnica estudia diversos antisolvents. En este treball, el toluè ha aconseguit millorar l'estabilitat de les capes de MASnI3. Utilitzant un enfocament numèric mitjançant SCAPS-1D, hem calculat que l'eficiència dels dispositius fotovoltaics basats en MASnI3 augmenta un 9,5% en comparació amb els dispositius de MAPbI3. / [EN] Halide Organic-Inorganic Perovskites are a family of materials that have been studied in depth due to their potential for building high-efficiency and low-cost solar cells. In recent years, they have experienced exponential growth in efficiency, going from 3% of PCE in 2009 to over 25% in 2021. But still, there are numerous challenges to overcome, such as stability. The purpose of this work is to study different kinds of HOIPs for solar cell applications, including the optimization of the manufacturing process and the complete characterization by the analysis of Xray-diffraction, Field Emission Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscope, photoluminescence, UV-visible absorption, band-gap calculation, Transmittance electron microscopy, theoretical simulation with SCAPS-1D, and degradation study of the films. The objective of the analysis is to obtain crystallinity, morphology, topography, optical properties, PCE, and stability of the layers. Different strategies were used to fulfil the goal of the work, including doping with different compounds, antisolvent quenching engineering, and changing the cation "B" in the general formula of perovskites; ABX3. The present dissertation is focused in methylammonium lead iodide III (CH3NH3I3), which is known for exhibiting direct bandgap absorption from the top of the valence band to the bottom of the conduction band. The bandgap can be easily modified by varying A, B, and X and modulated by the suitable selection of mixed cations. Among the possible combinations, MA cation and metal Pb2+ have exhibited excellent optoelectronic properties, low-temperature solution-processable films, and potential for appropriate stability, due to very high charge-carrier mobility, large electron and hole diffusion length, large absorption coefficients, and low nonradiative recombination rates. Specifically, this PhD is composed of four papers: - Stability Improvement of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Thin Films by Bismuth Doping - Tetrabutylammonium (TBA)-Doped Methylammonium Lead Iodide: High Quality and Stable Perovskite Thin Films - Manufacture of High-Efficiency and Stable Lead-Free Solar Cells through Antisolvent Quenching Engineering - Investigation on the Stability and Efficiency of MAPbI3 and MASnI3 Thin Films for Solar Cells To sum up, bismuth doping has improved the crystalline structure of the absorbent layer of MAPbI3, which leads to a significant improvement in the optoelectronic properties, the morphology of the surface of the layers, and even improves the stability of the devices. Bismuth doping was studied introducing variable amounts of bismuth between 1 and 8% in the initial solution. Best results were obtained with 2% bismuth. Doping with tetrabutylammonium (TBA) was also analysed by introducing different proportions of TBA in the initial mixture for the synthesis of MAPbI3 layers. We observed that adding 5% TBA to the initial solution reduces the density of pinholes in the layers and improves crystallinity, which leads to a considerable improvement in the stability of the MAPbI3 layers. With the optimal proportion of TBA, it is possible to increase the grain size and the intensity of the photoluminescence, due to the decrease in recombination centres. Since lead is a polluting element, we substituted Pb for Sn to obtain MASnI3 layers, which led to increasing grain size and enhancing light absorption coefficient. However, MASnI3 shells are more unstable than MAPbI3 shells. To overcome this, different anti-solvents were used in the synthesis of MASnI3 shells. Known as antisolvent engineering, this technique studies several antisolvents. In our work, toluene has managed to improve the stability of the MASnI3 layers. Using a numerical approach using SCAPS-1D, we have calculated that the efficiency of photovoltaic devices (PCE) based on MASnI3 increases by 9.5% when compared to devices based on MAPbI3. / Marí Guaita, J. (2022). Different Approaches for Improving the Stability of Hybrid Perovskites [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191430 / Compendio

Foram desenvolvidos sistemas de medidas visando a caracterização de células solares de sílico monocristalino. Para isso, foram determinadas as características I x V no escuro para diferentes níveis de iluminação. Curvas de resposta espectral e capacitância em função da tensão inversa aplicada foram também obtidas. Foi feita uma avaliação do comportamento dessas células em função da temperatura e realizadas medidas de profundidade de junção utilizando-se três métodos distintos. Os principais parâmetros, que determinam o desempenho dessas células, foram obtidos boa concordância com a teoria e com os resultados apresentados na literatura. / Systems of measurements were developed for the characterization of single crystal silicon solar cells. For that, the curves I x V were measured in the dark and for different intensity of illumination. Curves of spectral response and of capacitance as a function of the reciprocal of the voltage were also measured. The behavior of the cells as a function of temperature was analysed and also measurements of junction depth were made by three different methods. Values for the parameters that characterize the cells were obtained, showing a good agreement with theoretical values and also with already reported values.

Orientador: Prof. Dr. André Sarto Polo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2017. / Compostos polipiridínicos de rutênio(II) apresentam características favoráveis para serem utilizados em processos de conversão de energia solar, como a ampla e intensa absorção de luz na região visível. A engenharia molecular permite a sintonização dos níveis de energia destes complexos para que possam executar funções úteis com mais eficiência. Os compostos tris-heterolépticos de rutênio(II) são muito interessantes neste sentido, pois permitem avaliar como a utilização de diferentes ligantes altera as suas propriedades globais e permite modular seus níveis de energia. O presente trabalho insere-se nesse contexto, avaliando como grupos doadores ou retiradores de elétrons influenciam a cinética de formação, as propriedades químicas e o desempenho fotoeletroquímico em células solares sensibilizadas por corante (DSSCs - Dye-Sensitized Solar Cells) desse tipo de composto. É descrita a investigação da cinética de formação dos compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2], dcbH2 = ácido- -dicarboxílico- -bipiridina, avaliada de maneira a racionalizar o efeito do substituinte R nas posições 4 e 7 da 1,10- fenantrolina nas velocidades das reações e na distribuição dos isômeros de ligação. Também são descritas a síntese, purificação e caracterização dos compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)Cl2] e cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] e as mudanças observadas em suas propriedades espectroscópicas e eletroquímicas são discutidas em função dos diferentes substituintes da 1,10-fenantrolina. Os compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] também foram usados como corantes sensibilizadores em DSSCs e a partir de experimentos fotoeletroquímicos os resultados foram interpretados relacionando-se a natureza do ligante R-phen e os processos que ocorrem nas células solares. Observou-se que mesmo pequenas mudanças estruturais nos ligantes R-phen podem acarretar em grandes mudanças nas propriedades e na formação dos compostos que funcionalizam nanomateriais como o TiO2. / Ruthenium(II) polypyridyl compounds have favorable characteristics for their use in solar energy conversion processes, such as their wide and intense light absorption in the visible region of the spectrum. Molecular engineering allows the tuning of the energy levels of these compounds in order to perform useful functions more efficiently. Ruthenium(II) tris-heteroleptic compounds are very interesting in this field since they can be employed to evaluate how changing the ligands modify their global properties and modulate their energy levels. This work aims to evaluate the influence of electron donating or withdrawing groups on the formation kinetics, chemical properties and photoelectrochemical performance of this type of compound in Dye- Sensitized Solar Cells (DSSCs). The investigation of the formation kinetics of cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] compounds, dcbH2 -dicarboxylic acid- - bipyridine, is described and evaluated in order to rationalize the effect of the R substituent on 4 and 7 positions of 1,10-phenanthroline on reaction rates and linkage isomer distribution. The synthesis, purification and characterization of the compounds cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)Cl2] and cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] are also described and changes observed in their spectroscopic and electrochemical properties are discussed in terms of the different substituents of 1,10-phenanthroline. The cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] compounds were also employed as dye-sensitizers in DSSCs and from photoelectrochemical experiments the results were interpreted correlating the R-phen ligand structure and processes which occur in solar cells. It was observed that even small structural changes in R-phen ligands can result in wide changes in properties and formation of the compounds that functionalize nanomaterials such as TiO2.

Foram desenvolvidos sistemas de medidas visando a caracterização de células solares de sílico monocristalino. Para isso, foram determinadas as características I x V no escuro para diferentes níveis de iluminação. Curvas de resposta espectral e capacitância em função da tensão inversa aplicada foram também obtidas. Foi feita uma avaliação do comportamento dessas células em função da temperatura e realizadas medidas de profundidade de junção utilizando-se três métodos distintos. Os principais parâmetros, que determinam o desempenho dessas células, foram obtidos boa concordância com a teoria e com os resultados apresentados na literatura. / Systems of measurements were developed for the characterization of single crystal silicon solar cells. For that, the curves I x V were measured in the dark and for different intensity of illumination. Curves of spectral response and of capacitance as a function of the reciprocal of the voltage were also measured. The behavior of the cells as a function of temperature was analysed and also measurements of junction depth were made by three different methods. Values for the parameters that characterize the cells were obtained, showing a good agreement with theoretical values and also with already reported values.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Among the semiconducting oxides, ZnO has received considerable attention as a promising material for several applications in optoelectronic devices due to its high optical transparency in the visible range and good electrical conductivity achieved by doping with suitable elements. The present work, part developed in the Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos Nanoestruturados (UNIPAMPA/BAGÉ) and part in the Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos (UFSM), aimed mainly the development of an experimental procedure of ZnO thin films potentiostatic electrodeposition using 0.1 M aqueous solution of zinc nitrate seeking potential applications in solar cells. The electrodeposition technique is the growth of certain material on a solid substrate by electrochemical reactions and emerges as an alternative to traditional techniques (sputtering, sol-gel, spray pyrolysis) production of thin films. Besides being relatively easy to implement and has low production cost. The ZnO thin films were deposited on Au (111) substrates, obtained from commercial CD-Rs (CDtrodos). Voltammetry technique was used for the electrochemical processes involved analysis and to establish suitable areas of potential for films growth. ZnO deposits were characterized by X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM) techniques. / Dentre os óxidos semicondutores, o ZnO tem recebido considerável atenção como um material promissor para diversas aplicações em dispositivos opto-eletrônicos devido a sua alta transparênciaóptica na faixa do visível e boa condutividade elétrica alcançada por dopagem com elementos adequados. O presente trabalho, desenvolvido parte no Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos Nanoestruturados (UNIPAMPA/BAGÉ) e parte no Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos (UFSM), teve como objetivo principal o desenvolvimento de um procedimento experimental de eletrodeposição potenciostática de filmes finos de ZnO visando possíveis aplicações em células solares, utilizando-se 0:1M de solução aquosa de nitrato de zinco. A técnica de eletrodeposição consiste no crescimento de determinado material sobre um substrato sólido através de reações eletroquímicas e surge como uma alternativa às técnicas tradicionais (sputtering, sol-gel, spray-pirólise) de produção de filmes finos. Além de ser relativamente de fácil implementação e tem baixo custo de produção. Os filmes finos de ZnO foram depositados sobre substratos de Au (111), obtidos a partir de CD-Rs comerciais (CDtrodos). Utilizou-se a técnica de voltametria para analise dos processos eletroquímicos envolvidos e para estabelecer as regiões de potenciais adequadas para crescimento dos filmes. Os depósitos de ZnO foram caracterizados utilizando as técnicas de difração de raios-X e microscopia de força atômica (AFM).

Tesis por compendio / [ES] La creciente urbanización e industrialización de las sociedades en las últimas décadas han provocado una alta demanda de energía. No obstante, mientras no se desarrollen fuentes de energía renovables que se constituyan como un reemplazo plausible de las actuales, la liberación de gases de efecto invernadero y sus consecuencias sobre el cambio climático difícilmente serán atajadas. Por ello, se está llevando a cabo una intensa búsqueda de energías renovables para un futuro inmediato. En los últimos años, la perovskita ha alcanzado una gran popularidad, centrando numerosos esfuerzos de investigación debido a sus propiedades ópticas y eléctricas únicas. Como por ejemplo su alto coeficiente de absorción y su alta movilidad de carga. Esta tesis comprende seis artículos científicos en torno a las perovskitas. Por un lado, 3 trabajos estudian los fenómenos ópticos que ocurren en el seno del material, con la finalidad de lograr una mejor comprensión de éstos. Puesto que el conocimiento de estos fenómenos ópticos a nivel individual (cristales aislados) permite modular y adaptar su síntesis y morfología para aplicaciones determinadas. Por otro lado, las perovskitas han sido implementadas en distintos dispositivos para su aplicación en tres campos: fotocatálisis, sensores y fotovoltaica. Por primera vez, se ha logrado utilizar este material para la obtención de hidrógeno llevando a cabo la reacción en fase vapor. Asimismo, diversas composiciones de perovskita se han usado para decorar grafeno y detectar niveles traza de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) como benceno y tolueno. Y finalmente se ha desarrollado una estrategia para insertar en la estructura de la perovskita moléculas orgánicas, de forma que se permite una ampliación de la fotorespuesta en el espectro visible. Por lo tanto, las perovskitas se han implementado exitosamente en aplicaciones de diversa índole, constituyéndose como un material prometedor y fácilmente adaptable a los distintos requisitos de cada campo de estudio. / [CAT] La creixent urbanització i industrialització de les societats durant les últimes dècades han provocat una alta demanda d'energia. No obstant això, fins que no es desenvolupen fonts d'energia renovables que puguen ser un reemplaçament plausible de les actuals, l'alliberament de gasos d'efecte hivernacle i les seues conseqüències sobre el canvi climàtic seran difícilment aturades. Per tant, s'està duent a terme una intensa cerca d'energies renovables per a un futur immediat. En els últims anys, la perovskita ha aconseguit una gran popularitat, centrant nombrosos esforços de recerca a causa de les seues propietats òptiques i elèctriques úniques. Per exemple, el seu al coeficient d'absorció i la seua alta mobilitat de càrrega. Aquesta tesi reuneix sis articles científics al voltant de les perovskites. Per una banda, 3 treballs estudien els fenòmens òptics que ocorren en el material, amb la finalitat d'assolir una major comprensió d'aquests. Donat que el coneixement d'aquests fenòmens òptics a nivell individual (cristalls aïllats) permeten modular i adaptar la seua síntesi i morfologia per a determinades aplicacions. Per altra banda, les perovskites han sigut implementats en diferents dispositius per a la seua aplicació en tres camps: fotocatàlisi, sensors i fotovoltaica. Per primera vegada, s'hi ha aconseguit utilitzar aquest material per a l'obtenció d'hidrogen duent a terme la reacció en fase vapor. Així mateix, diverses composicions de perovskita s'han utilitzat per a decorar grafè i detectar nivells traça de Compostos Orgànics Volàtils (COV) com benzè i toluè. I finalment s'ha desenvolupat una estratègia per a inserir en l'estructura de la perovskita molècules orgàniques, de forma que es permet una ampliació de la fotoresposta en l'espectre del visible. Per tant, les perovskites s'han implementat exitosament en aplicacions de diversa índole, constituint-se com un material prometedor i fàcilment adaptable als diferents requisits de cada camp d'estudi. / [EN] During the last decades, the growing urbanization and industrialization result in a significant need for energy. However, since feasible renewable energy sources should be further developed to replace the current energy source, the release of greenhouse gases and their climate change consequences are difficult to overcome. For that reason, the development of renewable energy sources has been attracting growing research efforts. Recently, perovskites gathered great interest owing to their outstanding optical and electrical properties. For instance, their high absorption coefficient and superior charge mobility. This thesis comprises six scientific articles about perovskites. On one hand, 3 works study the optical phenomena that occur within the material in order to achieve a better understanding. The deep knowledge of these optical phenomena's at the individual level (isolated crystals) enable the modulation and tuning of their synthesis and morphology to match specific applications. On another hand, perovskites have been implemented in several devices for their application in three research fields: photocatalysis, sensors, and photovoltaic. For the first time, this nanomaterial was successfully employed for obtaining hydrogen carrying out the reaction in the vapor phase. Likewise, several perovskite compositions have been used for decorating graphene and detect trace levels of Volatile Organic Compounds (VOC) as benzene and toluene. And finally, it has been developed a strategy to insert organic molecules in the perovskite structure, resulting in an enhanced photoresponse in the visible range. Therefore, perovskites have been successfully implemented in several applications, becoming a promising material and easily adaptable to the different requirements needed in each field of study. / Financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Severo Ochoa, SEV-2016-0683), Intramural CSIC project 201680I006, and Fundación Ramón Areces (XVII Concurso Nacional para la adjudicación de Ayudas a la Investigación en Ciencias de la Vida y de la Materia) is gratefully acknowledged. This research was financially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Mineco) of Spain (TQ2011-26455)2, MAT2015-69669-P, and regional government grant PrometeoII/2017/026. This work was supported by Spanish ministry of Economy, Industry and Competitiveness (MINECO) through the projects TEC2015-74405-JIN, MAT2015-69669-P as well as the regional projects of both Provincia Autonoma di Trento (PAT) of Italy, through the call Grandi Progetti 2012: SIQURO and the Comunidad Valenciana of Spain project PrometeoII/2014/026. This work was supported in part by MICINN and FEDER via grants no. RTI2018-101580- B-I00, by AGAUR under grant. 2017SGR418. S. R.-B. thanks the Research Executive Agency (REA) and the European Commission for the funding received under the Marie Skłodowska Curie actions (H2020-MSCA-IF-2015/Grant agreement number 709023/ZESMO). R. G. A. acknowledges the FPI scholarship from MINECO MAT2015-69669-P. P. A. acknowledges the financial support from the Spanish Government through ‘Severo Ochoa” (SEV-2016-0683, MINECO) and PGC2018-099744-B-I00 (MCIU/AEI/FEDER) / García Aboal, R. (2021). Propiedades optoelectrónicas en perovskitas halogenadas y su aplicación en energía y sensores [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175357 / TESIS / Compendio

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.