Experimental study on efficiency, stability and reliability of FAPbBr₃ perovskite solar devices: from cells to mini-modules

The growing need for energy independence from fossil fuels has accelerated the development of advanced photovoltaic technologies. Among emerging solutions, perovskite-based solar devices have attracted considerable attention because of their excellent optoelectronic properties, bandgap tunability, and potential for low-temperature and scalable fabrication. Within this framework, the present work provides a laboratory-scale experimental study on FAPbBr₃ perovskite solar devices, aimed at assessing their physical and optoelectronic properties, photovoltaic performance, stability and reliability. A systematic characterization campaign was carried out on two distinct fabrication batches, comprising four-cell samples and mini-modules. Both Batch 1 and Batch 2 included 4-cell samples (single-cell) and six-cell mini-modules fabricated with the same stack materials and absorber layer thickness. The investigated devices were based on a direct planar n-i-p planar architecture including FTO, TiO₂/SnO₂, FAPbBr₃ absorber, interfacial treatment, PTAA and top ITO/glass electrode. The experimental activity combined dark and illuminated I-V measurements, EQE analysis, optical transmittance and reflectance characterization, stress tests under illumination in OC, SC, and MPPT operating conditions and EIS for the evaluation of the RS contribution. The results enabled a direct comparison between batches and device configurations, highlighting how fabrication history and scaling from cell to mini-modules influenced both electrical response and degradation behaviour. Batch 1 generally showed more evident ageing effects and broader variability, whereas Batch 2 exhibited a more regular behaviour. Spectral and optical analyses indicated that the characteristic wide-bandgap response of FAPbBr₃ was substantially preserved, with the main differences associated with collection efficiency and device dispersion rather than with a marked shift of the absorption edge. The stability investigation further showed that MPPT represented the most critical stress condition, especially at module scale, where clearer cumulative degradation was observed. By contrast, impedance analysis on the selected Batch 2 cell indicated that the EIS-derived series resistance remained reasonably stable throughout repeated MPPT cycling, suggesting that the main performance losses were not primarily driven by a monotonic increase in ohmic resistance alone. Overall, the work demonstrates that device architecture and scaling are key factors in the performance and reliability of FAPbBr₃ perovskite photovoltaics and identifies the transition from cells to mini-modules as one of the main challenges for their future development.

La crescente necessità di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili ha accelerato lo sviluppo di tecnologie fotovoltaiche avanzate. Tra le soluzioni più promettenti, i dispositivi solari a base di perovskite hanno suscitato un interesse crescente grazie alle loro eccellenti proprietà optoelettroniche, alla possibilità di modulare il bandgap e al potenziale di realizzazione mediante processi scalabili e a bassa temperatura. In questo contesto, il presente lavoro propone uno studio sperimentale su scala di laboratorio di dispositivi fotovoltaici in perovskite FAPbBr₃, con l’obiettivo di valutarne le proprietà fisiche e optoelettroniche, le prestazioni fotovoltaiche, nonché la stabilità e l’affidabilità. È stata condotta una campagna di caratterizzazione sistematica su due distinti lotti di fabbricazione, comprendenti campioni a quattro celle e mini-moduli. Sia il Batch 1 sia il Batch 2 includevano campioni a quattro celle e mini-moduli a sei celle, realizzati con gli stessi materiali di stack e con identico spessore dello strato assorbitore. I dispositivi analizzati erano basati su un’architettura planare diretta di tipo n-i-p, costituita da FTO, TiO₂/SnO₂, assorbitore FAPbBr₃, trattamento interfacciale, PTAA ed elettrodo superiore in ITO/vetro. L’attività sperimentale ha incluso misure I-V al buio e sotto illuminazione, analisi EQE, caratterizzazione della trasmittanza e della riflettanza ottica, test di stress sotto illuminazione in condizioni di circuito aperto (OC), cortocircuito (SC) e inseguimento del punto di massima potenza (MPPT), oltre a misure di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) per valutare il contributo della resistenza serie (Rs). I risultati hanno consentito un confronto diretto tra i diversi lotti e le differenti configurazioni dei dispositivi, mettendo in evidenza come la storia di fabbricazione e il passaggio dalla scala di cella a quella di mini-modulo influenzino sia la risposta elettrica sia il comportamento degradativo. In generale, il Batch 1 ha mostrato effetti di invecchiamento più evidenti e una maggiore variabilità, mentre il Batch 2 ha presentato un comportamento più regolare e omogeneo. Le analisi spettrali e ottiche hanno indicato che la tipica risposta a largo bandgap della FAPbBr₃ è stata sostanzialmente preservata; le principali differenze osservate risultano infatti associate soprattutto all’efficienza di raccolta della carica e alla dispersione tra i dispositivi, più che a un marcato spostamento della soglia di assorbimento. L’indagine sulla stabilità ha inoltre evidenziato che il funzionamento in MPPT rappresenta la condizione di stress più critica, soprattutto alla scala di modulo, dove è stata osservata una degradazione cumulativa più marcata. Al contrario, l’analisi di impedenza condotta su una cella selezionata del Batch 2 ha mostrato che la resistenza serie ricavata da EIS rimane ragionevolmente stabile durante cicli ripetuti in MPPT, suggerendo che le principali perdite prestazionali non siano dovute principalmente a un incremento progressivo della sola resistenza ohmica. Nel complesso, il lavoro dimostra che l’architettura del dispositivo e il suo scale-up costituiscono fattori determinanti per le prestazioni e l’affidabilità dei dispositivi fotovoltaici in perovskite FAPbBr₃, individuando nel passaggio dalla cella al mini-modulo una delle principali criticità da affrontare per il loro sviluppo futuro.