Cloaked contact grids for perovskite-silicon tandem solar modules

Photovoltaik (PV) spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation des globalen Energiesystems von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energiequellen, die ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Zukunft des Planeten Erde ist. Eine solche Transformation wird jedoch hauptsächlich durch die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit einer Technologie getrieben, für die die Stromgestehungskosten ein entscheidender Faktor sind. In den letzten Jahren sind die Preise für Solarmodule drastisch gesunken, so dass die weitere Steigerung des Wirkungsgrades (PCE) und des Energieertrags (EY) von PV-Anlagen von zunehmender Bedeutung ist, um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der PV zu verbessern. ... mehr
Einer der limitierenden Faktoren moderner Solarmodule ist die Verlustleistung aufgrund inaktiver Flächen, die zur Minimierung der resistiven Verluste während des Ladungstransports über die großen Abmessungen eines Solarmoduls erforderlich sind. Optische Tarnkonzepte haben die Fähigkeit, Licht von inaktiven Bereichen hin zu den aktiven Flächen eines Solarmoduls zu leiten, wodurch die entsprechende Verlustleistung reduziert wird. Unter den verschiedenen optischen Tarnkonzepten sind Freiformoberflächen (FFS) als Tarnkappen eine interessante Technologie, die omnidirektionales Tarnen von inaktiven Flächen verspricht.
Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von FFS mit der anvisierten Anwendung auf Perowskit/Silizium-Tandem-Solarmodulen, die ihrerseits sowohl für die Forschung als auch für die Industrie von höchstem Interesse sind, da die Kombination zweier Absorbermaterialien das theoretische Limit der PCE von 29 % für Einfachsolarzellen auf 46 % für Tandemsolarzellen erhöht. Eine detaillierte Untersuchung der optischen Verluste mittels optischer Simulation und EY-Modellierung von zwei- (2T) und vier-poligen (4T) Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen in dieser Arbeit zeigt, dass Leistungsverluste durch inaktive Flächen – neben der parasitären Absorption – einer der größten optischen Verlustmechanismen von Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen sind.
Auch wenn FFS in einem idealen Design eine perfekte Tarnung von inaktiven Flächen aufweisen, sind sie nicht mit der herkömmlichen Architektur von Solarmodulen kompatibel, da sie eine nicht planare, für Verschmutzung anfälligere Oberfläche aufweisen. Um Verschmutzungen zu vermeiden, wird die Einbettung von FFS unter einer Glasabdeckung untersucht und hierfür zwei optimierte Designs von Freiformoberflächen vorgeschlagen, die unter Berücksichtigung eines geometrischen Füllfaktors (GFF) von inaktiven Flächen von 4 % die Einstrahlungsleistung auf die aktive Fläche theoretisch um 3.5 % erhöhen. Die Fähigkeit des omnidirektionalen Tarnen wird jedoch durch die vorgeschlagenen Designs beeinträchtigt, was zu einem etwas geringeren Anstieg des EY unter realistischen Einstrahlungsbedingungen von 2.4 % jährlich führt. Die effektive Tarnung inaktiver Flächen verschiebt zudem den optimalen Abstand und die optimale Dicke der Frontelektrode. Unter einer zusätzlichen Optimierung der Frontkontaktierung, erhöht sich der Anstieg in EY durch den Einsatz von eingebetteten FFS weiter auf 3.1 %.
Prototypen von Einfachsolarzellen aus CuIn\(_{\text{x}}\)Ga\(_{\text{1-x}}\)Se\(_{\text{2}}\) (CIGS) und kristallinem Silizium (c-Si) zeigen zwei mögliche Ansätze zur Einbettung von FFS in die vorderen Verkapselungsschichten konventioneller Solarmodule auf: (1) Prägen von FFS in das polymere Verkapselungsmaterial und Einbetten unter einer Glasabdeckung, was zu einer Erhöhung der Kurzschlussstromdichte \(J_{\text{SC}}\) eines CIGS-Solarmoduls um 4.1 % bei einem GFF inaktiver Flächen von 4.7 % führt, und (2) Einbetten von FFS-Cloaks direkt in das Deckglas durch Anwendung der Flüssigglastechnik, die den \(J_{\text{SC}}\) von c-Si-Solarzellen um 3.8 % bei einem GFF von 4.4 % erhöht. Beide Ansätze stellen eine praktikable Option für die Anwendung von FFS in 2T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodulen dar. Für 4T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodule ist die Abscheidung der Perowskitsolarzelle (PSC) direkt auf der Glasabdeckung vorzuziehen, da sie Frontschichten höherer optischer Qualität ermöglicht. Um eine Oberflächenqualität zu erreichen, die die Abscheidung der konformen dünnen Schichten einer PSC unterstützt, wird die mit der Flüssigglastechnik hergestellte Glasabdeckung mechanisch poliert. Die Herstellung von funktionierenden Perowskitsolarzellen ist jedoch noch nicht erfolgreich. Die optische Charakterisierung bestätigt jedoch das effiziente Tarnen von inaktiven Flächen mittels diesen Ansatzes, unterstreicht aber auch die starke Abhängigkeit von optischen Tarnkonzepten von ihrer Ausrichtung bezüglich der inaktiven Flächen.
Im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung bleiben die erfolgreiche Abscheidung von PSCs auf Glasabdeckungen, die mit der Flüssigglastechnik hergestellt werden, die Verbesserung der Ausrichtung und die Aufskalierung der Technologie offene Herausforderungen.

Photovoltaics (PV) play an important role in the transformation of the global energy system towards renewable energy sources with a smaller CO2 footprint than fossil fuels, which is a key to a sustainable future of planet earth. However, such a transformation is mainly driven by the economic competitiveness of a technology, for which the levelized cost of electricity (LCoE) is a decisive factor. In recent years, prices for solar modules have drastically fallen, so that advancing the power conversion efficiency (PCE) and energy yield (EY) of PV systems is of increasing relevance to improve the economic competitiveness of PV. ... mehr
One of the limiting factors of state-of-the-art solar modules is power loss originating from inactive areas, which are required for minimizing resistive losses of charge transport across the large dimensions of a solar module. Optical cloaking concepts have the ability to guide light away from inactive areas and towards the active area of a solar module reducing the corresponding power loss. Among various concepts, freeform surface (FFS) cloaks stand out as an intriguing technology that promises omnidirectional cloaking and, thus, effectively invisible inactive areas.
This thesis focuses on the development and fabrication of FFS cloaks with the targeted application to perovskite/silicon tandem solar modules, which themselves are of highest interest to both research and industry since the combination of two absorber materials in a tandem architecture increases the theoretical limit in PCE from 29 % for single-junction PV to 46 %. A detailed study of optical losses via optical simulations and EY modelling of two-terminal (2T) and four-terminal (4T) perovskite/silicon tandem solar modules in this thesis reveals that power losses due to inactive areas are – besides parasitic absorption – one of the major optical loss mechanisms of perovskite/silicon tandem solar modules.
Even though FFS cloaks in an ideal design yield perfect cloaking of inactive areas, they lack compatibility with the conventional architecture of solar modules since they exhibit a non-planar surface that increases their susceptibility to soiling. To evade any issues associated to soiling, the embedment of FFS cloaks under a protective cover glass is suggested and two optimized designs of FFS cloaks are proposed, which theoretically boost the power incident on the active area by 3.5 % considering a geometrical filling fraction (GFF) of inactive areas of 4 %. However, the ability of omnidirectional cloaking is compromised by the proposed designs, which leads to slightly smaller increase in EY under realistic irradiation conditions of 2.4 % annually. The effective cloaking of inactive areas shifts the optimum spacing and optimum thickness of the front electrode. Once the front contacting scheme is optimized additionally, the benefit in EY of employing embedded FFS cloaks raises further to 3.1 %.
Prototypes of CuIn\(_{\text{x}}\)Ga\(_{\text{1-x}}\)Se\(_{\text{2}}\) (CIGS) and crystalline silicon (c-Si) single-junction solar cells demonstrate two possible approaches to embed FFS cloaks into the front encapsulation layers of conventional solar modules: (1) imprinting FFS cloaks into the polymeric encapsulant and covering them under a cover glass, which results in a boost in short-circuit current density \(J_{\text{SC}}\) of a CIGS solar module by 4.1 % for a GFF of 4.7 %, and (2) embedding FFS cloaks directly into the cover glass by applying the liquid glass technique, which increases the \(J_{\text{SC}}\) of c-Si solar cells by 3.8 % for a GFF of 4.4 %. Both approaches represent a viable option for the application of FFS cloaks to 2T perovskite/c-Si tandem solar modules. For 4T perovskite/c-Si tandem solar modules, the deposition of the perovskite top-cell directly on the cover glass is preferable since it enables optically superior front layers. To achieve a surface quality that supports the deposition of the conformal thin films of a perovskite solar cell (PSC), the cover glass fabricated via the liquid glass technique is mechanically polished. However, the fabrication of working perovskite solar cells is not yet successful. Optical characterization confirms the efficient cloaking of inactive areas via this approach but also highlights the crucial sensitivity of optical cloaking concepts to their alignment with the inactive areas.
In view of future development, the successful deposition of PSCs on cover glasses fabricated via the liquid glass technique, improving alignment and rapid large-scale fabrication remain open challenges.