Optimized fabrication and modelling of hybrid perovskite-based solar cells and memristors

Abstract

El aumento de la demanda energética global ha impulsado el desarrollo de tecnologías sostenibles y eficientes, como las energías renovables. Dentro de la energía solar fotovoltaica destacan especialmente los logros alcanzados en la última década en las células solares de perovskitas híbridas, cuya eficiencia máxima ya es equivalente a la de las células de silicio. Sin embargo, la comercialización de estas células se ha visto frenada por la aparición de fenómenos como la histéresis y la forma en S en la curva I-V, que afectan negativamente a su estabilidad y rendimiento. La histéresis, aunque perjudicial para las células solares, es fundamental para los memristores. Estos dispositivos electrónicos son utilizados para el almacenamiento de datos y son capaces de emular funciones sinápticas del cerebro. Por este motivo son considerados dispositivos muy prometedores para superar los límites físicos de la computación convencional. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal estudiar en detalle los mecanismos que gobiernan el funcionamiento de las células solares y memristores basados en perovskitas híbridas, como el yoduro de plomo y metilamonio (MAPbI3). Para ello, se centra en entender las causas que originan los fenómenos anómalos, como la forma en S en las células solares y la negative differential resistance (NDR) en memristores. Este estudio se ha realizado mediante simulaciones numéricas usando el modelo físico de drift-diffusion para portadores de carga e iones móviles. Además, se han fabricado memristores basados en perovskita con diferentes estructuras, incorporando diferentes capas buffer y electrodos metálicos. Los mejores dispositivos muestran prestaciones excepcionales y comparables al estado del arte actual de memristores de perovskita: elevados tiempos de retención (> 105 s), alto ON/OFF ratio (106), elevada durabilidad (> 2·103 ciclos). El estudio de la incorporación debuffer layers y de electrodos metálicos con diferentes reactividades químicas ha permitido optimizar el proceso de fabricación de estos dispositivos. Por último, el análisis realizado a través de simulaciones numéricas junto con los resultados obtenidos experimentalmente ha permitido proponer diferentes mecanismos de activación en memristores de perovskita con diferentes estructuras. Por todo ello, esta Tesis representa un avance en el conocimiento de las células solares y memristores basados en perovskita contribuyendo a su desarrollo en futuras aplicaciones.