Fabrication of lab-scale perovskite solar cells (PSCs) is dominated by the spin coating method, which wastes most of the precursor materials and is not compatible with large-scale manufacturing of PSCs. Inkjet printing provides a solution to upscaling of the fabrication of PSCs in a low-cost, waste-free, and sustainable way. In this thesis, we demonstrate the effectiveness of the inkjet technique in fabrication of functional materials for PSCs. The printing processes for depositing functional materials, i.e., electron transporting layers (ETLs), perovskite absorber layers as well as hole transporting layers (HTLs), are developed. We also strive to enhance the power conversion efficiency (PCE) of devices using the inkjet-printed ETLs and perovskite layers. Diverse measurements and analysis are conducted to provide insights into the enhancement mechanisms. The work undertaken in this thesis is presented as follows:

The printing processes for depositing TiO₂, SrTiO₃, and SnO₂ ETLs are developed. A cosolvent system is found to be beneficial for the formation of effective ETLs and the eventual device performance. A PCE of 17.37% is realized for the PSC device with an inkjet-printed SnO₂ ETL, outperforming both the SrTiO₃-based (15.73%) and TiO₂-based (12.42%) devices.

SnO_x ETLs are synthesized and deposited via an inkjet printing process. The effects of the annealing temperature for post-processing of the deposited precursor layer on the properties of the resulting SnO_x ETLs and their photovoltaic performance are discussed. The low-temperature amorphous SnO_x ETLs outperform the high-temperature crystalline SnO₂ ETLs, achieving a high PCE of 17.55%.

Elemental doping is conducted to modify SnO_x ETLs. Effects of doping on the properties of the SnO_x ETLs and the ETL/perovskite interfaces are investigated in detail. Cu doping exerts a negative influence on the photovoltaic performance of SnO_x ETLs. Surprisingly, a tunable hysteresis, transforming from normal hysteresis to inverted hysteresis, is observed with increasing Cu doping level. Ce doping leads to substantially improved properties. The incorporation of Ce into SnOx enables increased conductivity, improved energy level alignment at the ETL/perovskite interface, and suppressed recombination within the perovskite layer. The devices with Ce-doped SnO_x ETLs achieve enhanced efficiency compared to the undoped devices. Interface modification is also performed using a bilayer ETL structure to modify the SnO_x/perovskite interface. The effects of inserting a nanoparticle SnO₂ (NP-SnO₂) layer or a nanoparticle SrTiO₃ (NP-STO) layer at the SnO_x/perovskite interface are discussed.

Perovskite films are deposited via inkjet printing under ambient conditions, which is a significant challenge for this humidity-sensitive material. A large-grained perovskite film with full surface coverage is realized using strategies of in-situ heat treatment, self-vapor-annealing treatment, and solvent engineering. The effects of these strategies on the nucleation and crystallization of perovskite films are discussed. A PCE of 13.44% is achieved for the all-inkjet-printed PSC device with an inkjet-printed ETL, an inkjet-printed perovskite layer, and an inkjet-printed HTL. The additive engineering strategy is also applied to hinder premature crystallization of the perovskite materials. The uniformity of the inkjet-printed perovskite layer is significantly improved although it is not directly conducive to photovoltaic performance.

Overall, this thesis provides guidance in fabrication of effective functional materials via inkjet printing in a scalable and sustainable way.

Tillverkning av laboratorieskalig pervovskita solceller (PSCs) domineras av spinnbeläggningsmetoden, vilken kasserar det mesta av prekursormaterialen och är inte kompatibel med storskalig production av PSCs. Bläckstråleutskrift tillhandahåller en lösning för att skala upp tillverkningen av PSCs till en låg kostnad, avfallsfritt, och hållbart sätt. I denna avhandling visar vi effektiviteten hos bläckstråletekniken vid tillverkning av funktionella material för PSCs. Utskriftsprocesserna utvecklas för deposition av funktionella material, dvs elektrontransponerande lager (ETLs), perovskitabsorberande lager såväl som transporterande lager (HTLs). Vi strävar också efter att förbättra effektomvandlingseffektiviteten (PCE) hos enheter som använder bläckstråletryckta ETLs och perovskitskikt. Olika mätningar och analyser genomförs för att tillhandahålla insikter i förbättringsmekanismerna. Det arbete som har vidtagits i denna avhandling framgår nedan:

Tryckprocesserna för insättning av TiO₂, SrTiO₃, och SnO₂ ETLs utvecklas. Ett samlösningsmedel har visat sig vara gynnsamt för bildandet av effektiva ETLs och den enhetens eventuella prestanda. En PCE på 17,37% realiseras för PSC-enheten med en bläckstråleuttryckt SnO₂ ETL, som överträffar både de SrTiO₃-baserade (15,73%) och TiO₂-baserade (12,42%) enheterna.

SnO_x ETL syntetiseras och deponeras via en bläckstråleutskriftsprocess. Effekterna av glödgningstemperaturen för efterbearbetning av det avsatta prekursorskiktet på egenskaperna hos de resulterande SnO_x ETL:erna och deras fotovoltaiska prestanda diskuteras. De låg temperatur amorfa SnO_x ETL:erna överträffar de högtemperaturkristallina SnO₂ ETL:erna och uppnår en hög PCE på 17,55 %.

Elementär dopning utförs för att modifiera SnO_x ETL. Effekter av dopning på egenskaperna hos SnO_x ETL och ETL/perovskite-gränssnitten undersöks i detalj. Cu-dopning utövar ett negativt inflytande på den fotovoltaiska prestandan hos SnO_x ETL. Överraskande nog observeras en avstämbar hysteres, som övergår från normal hysteres till inverterad hysteres, med ökande Cu-dopningsnivå. Ce-dopning leder till väsentligt förbättrade egenskaper. Införlivandet av Ce i SnO_x möjliggör ökad konduktivitet, förbättrad energinivåinriktning vid ETL/perovskit-gränssnittet och undertryckt rekombination inom perovskitskiktet. Enheterna med Ce-dopade SnO_x ETL uppnår ökad effektivitet jämfört med de odopade enheterna. Gränssnittsmodifiering utförs också med hjälp av en tvåskikts ETL-struktur för att modifiera SnO_x/perovskite-gränssnittet. Effekterna av att infoga ett nanopartikel SnO₂ (NP-SnO₂) lager eller ett nanopartikel SrTiO₃ (NP-STO) lager vid SnO_x/perovskite gränssnittet diskuteras.

Perovskitfilmer avsätts via bläckstråleutskrift under omgivande förhållanden, vilket är en betydande utmaning för detta fuktkänsliga material. En storkornig perovskitfilm med full yttäckning realiseras med hjälp av strategier för in-situ värmebehandling, självångglödgningsbehandling och lösningsmedelsteknik. Effekterna av dessa strategier på kärnbildning och kristallisering av perovskitfilmer diskuteras. En PCE på 13,44 % uppnås för den helt bläckstråleskrivna PSC-enheten med en bläckstråleskriven ETL, ett bläckstråletryckt perovskitskikt och en bläckstråleskriven HTL. Den additiva ingenjörsstrategin tillämpas också för att förhindra för tidig kristallisering av perovskitmaterialen. Likformigheten hos det bläckstråletryckta perovskitskiktet förbättras avsevärt även om det inte direkt bidrar till fotovoltaisk prestanda.

Sammantaget ger denna avhandling vägledning i tillverkning av effektiva funktionella material via bläckstråleutskrift på ett skalbart och hållbart sätt.