Stability evaluation and degradation pathways of metal halide perovskite thin films

Abstract

The growing demand for sustainable energy and the finite nature of fossil fuels have increased the interest in alternative photovoltaic technologies. Metal halide perovskites have emerged as promising materials due to their high power conversion efficiency, low-cost fabrication, and excellent optoelectronic properties. However, their limited long-term durability under environmental conditions remains a significant barrier to commercialisation, making the understanding of degradation mechanisms crucial. This bachelor's thesis is a literature review focusing on the stability of metal halide perovskite thin films and the key degradation pathways that affect their performance. The thesis focuses on commonly studied materials, such as methylammonium lead halides, and examines the effects of major extrinsic factors, including moisture, heat, light, and oxygen, together with their combined effects. In addition, intrinsic factors, such as ion migration and grain boundaries, are briefly discussed in relation to material instability. The thesis also reviews the characterisation and evaluation methods commonly used to analyse the ageing of perovskite thin films, including structural, morphological, and optoelectronic techniques. Overall, this work summarises current knowledge on stability issues in perovskite thin films and emphasises the importance of ongoing research to improve the durability and practical applicability of perovskite solar cells.

Kestävän energian kasvava kysyntä ja fossiilisten polttoaineiden rajallisuus ovat lisänneet kiinnostusta vaihtoehtoisiin aurinkosähköteknologioihin. Metallihalidiperovskiitit ovat osoittautuneet lupaaviksi materiaaleiksi niiden korkean energianmuuntotehokkuuden, alhaisten valmistuskustannusten ja erinomaisen optoelektronisten ominaisuuksien ansiosta. Niiden rajoitettu kestävyys ympäristöolosuhteissa on kuitenkin edelleen merkittävä este kaupallistamiselle, minkä vuoksi hajoamisprosessien ymmärtäminen on erityisen tärkeää. Tämä kandidaatin tutkielma on kirjallisuuskatsaus, joka keskittyy metallihalidiperovskiittiohutkalvojen vakauteen ja suorituskykyyn vaikuttaviin keskeisiin hajoamisreitteihin. Tutkielma keskittyy yleisesti tutkittuihin materiaaleihin, kuten metyyliammonium-lyijyhalideihin, ja tarkastelee tärkeimpien ulkoisten tekijöiden, kuten kosteuden, lämmön, valon ja hapen vaikutuksia sekä niiden yhteisvaikutusta. Lisäksi materiaalin epävakauteen liittyviä sisäisiä tekijöitä, kuten ionien siirtymistä ja raerajoja käsitellään lyhyesti. Tutkielmassa käsitellään myös yleisesti käytettyjä karakterisointi- ja arviointimenetelmiä perovskiittiohutkalvojen ikääntymisen analysoimiseksi. Näihin sisältyvät muun muassa rakenteelliset, morfologiset ja optoelektroniset tekniikat. Tämä työ tiivistää nykyistä tietämystä perovskiittiohutkalvojen vakauteen liittyvistä ongelmista sekä korostaa jatkuvan tutkimuksen merkitystä perovskiittiaurinkokennojen kestävyyden ja käyttökelpoisuuden parantamiseksi.