Author: EMMANUEL VILLA FLORES

Preparación y caracterización de películas delgadas de dióxido de titanio (TiO2) como capa conductora de electrones para celdas fotovoltaicas de perovskitas orgánicas

Preparation and characterization of titanium dioxide (TiO2) thin films as electron transport layer for organic perovskite solar cells

EMMANUEL VILLA FLORES (2017)

En el presente trabajo se optimizaron los parámetros de depósito para obtener películas delgadas de TiO2 para ser usadas como capa conductora de electrones en celdas solares de perovskita orgánica. Para dicho fin las películas deben estar formadas por una capa densa continua y otra mesoporosa. La capa densa continua se depositó sobre substratos de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), por dos técnicas: la primera, mediante el uso combinado de sol-gel y centrifugado; y la segunda fue la de erosión iónica; en ambas técnicas se determinaron los parámetros de depósito y se compararon las características de las películas (fase cristalina, espesor, rugosidad, uniformidad, brecha de energía y transmitancia). Por sol-gel y centrifugado, se encontró que la solución óptima es usando etanol, agua, ácido nítrico y tetraisopropóxido de titanio, mezclándolos y agitándolos por 20 minutos. Usando esta solución se determinaron los parámetros para crecer las películas, los que fueron de 0.5 ml de solución de TiO2, 5000 rpm, 20 s de tiempo de centrifugado, y calcinación a 500 °C durante 30 minutos. Para la optimización de la capa continua depositada por erosión iónica se obtuvo que usando una presión de oxígeno (9%) y argón de 2.5𝑥10−3 Torr, 380 °C y una potencia de 120 W con una fuente DC, se obtienen características similares a las películas crecidas por sol-gel. Por ambas técnicas se producen películas con una fase cristalina de anatasa, una superficie homogénea y continua, transmitancia de 88%-93%, y una banda prohibida de 3.38-3.39 eV. La capa mesoporosa se depositó sobre la continua, con el mismo procedimiento de sol-gel y centrifugado ya descrito, pero agregando una cantidad de 0.024 gr para PEG y 0.0038 g de Pluronic F-127 ® por ml de solución y un tiempo de agitación de 90 minutos, lo que produce poros menores a los 2nm. Así entonces se optimizaron los parámetros de depósito que proporcionaron tanto de la capa continua como la mesoporosa de TiO2, de modo que las películas obtenidas sirven para su aplicación como capa conductora de electrones en celdas solares de perovskita orgánica

In the present work, the deposition parameters were optimized in order to obtain TiO2 thin films for applications as electron transport layer in organic perovskite solar cells. For this purpose, the films must be constituted by a continuous dense and a mesoporous layer. The first one was deposited over a glass substrate covered with Fluorine-doped Tin oxide, by two techniques, sol-gel assisted by spin coating and sputtering; for both techniques the deposition parameters were determined, and the characteristics of the grown films were compared (crystalline phase, thickness, roughness, uniformity, band-gap and transmittance). Using sol-gel and spin coating, it was found that the optimal solution is made of ethanol, deionized water, nitric acid, and titanium tetraisopropoxide. After these compounds were mixed and stirred for 20 minutes, 0.5 ml of the solution were spin coated at 5000 rpm for 20s and then a heat treatment of 500 °C for 30 minutes was applied. With the sputtering technique, the optimal parameters were an Oxygen (9%) and Argon pressure of 2.5𝑥10−3 𝑇𝑜𝑟𝑟, 380 °C and a DC power of 120 W, obtaining similar characteristics as the films grown by sol-gel. The anatase TiO2 crystalline phase was obtained with both techniques, a homogeneous continuous surface, transmittance between 88%-93%, and a bandgap of 3.383.39 eV were also obtained. The mesoporous layer was deposited over the continuous layer; it was prepared using the same sol-gel and spin coating conditions, but adding 0.024 gr of PEG or 0.0038 gr of Pluronic F-127 ® per 1ml of the prepared solution, both with a stirring time of 90 minutes. Using this organic compounds, pores under 2 nm of diameter were obtained. Therefore, the optimal parameters for growing the dense continuous and mesoporous layer were achieved; consequently the films obtained by both methods can be used as electron transport layers in organic perovskite solar cells

Master thesis

TiO2, sol-gel, centrifugado, erosión iónica, perovskita, celdas solares Spin coating, sputtering, perovskite, solar cells INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE MATERIALES PROPIEDADES DE LOS MATERIALES