Thermische Koverdampfung von hybriden Perowskit-Halbleitern für den Einsatz in Solarzellen

Metallorganische Perowskit-Materialien gehören zu einer der herausragendsten Materialklassen der Photovoltaik. Während der Fokus der Forschung heute in erster Linie auf lösungsbasierten Verfahren für die Abscheidung der funktionalen Schichten der Perowskit-Solarzelle liegt, befasst sich diese Dissertation mit der Abscheidung von planaren Perowskit-Solarzellen mittels vakuumbasierten Verfahren. Es wird gezeigt, dass die Abscheidung des Absorbers über die Koverdampfung von Bleiiodid und Methylammoniumiodid aufgrund des hohen Dampfdruckes der organischen Komponente besondere Anforderungen an die Auslegung der Aufdampfanlage sowie die Prozesskontrolle stellt. ... mehrUnter Berücksichtigung dieser spezifischen Anforderungen wird ein Prozess entwickelt, der die Herstellung von Solarzellen mit stabilisierten Wirkungsgraden von über 18 % erlaubt. Es wird weiter gezeigt, dass auch die Wahl des Substratmaterials die Morphologie des Absorbers sowie dessen optoelektronische Eigenschaften entscheidend beeinflusst. Basierend darauf erfolgt die Entwicklung hocheffizienter elektronenstrahlverdampfter Lochleiterschichten auf Basis von Nickeloxid, deren Integration in Solarzellen Wirkungsgrade bis knapp 21 % ermöglichen. In einem folgenden Kapitel wird das Konzept der vollständig vakuumprozessierten Perowskit-Solarzellen präsentiert. Dabei erweisen sich diese Solarzellen vor allem im Hinblick auf die Skalierbarkeit der Abscheidung, die anhand eines ersten in der Literatur berichteten vakuumprozessierten Prototyp-Solarmoduls veranschaulicht wird, als besonders vielversprechend. Wegen ihrer homogenen Abscheidung werden vakuumprozessierte Solarzellen weiter als idealer Kandidat für den Einsatz in Tandem-Solarzellen auf rauem CIGS oder texturiertem Silizium identifiziert.

Organic-inorganic hybrid perovskite materials belong to one of the most outstanding material classes in photovoltaics. While today’s research is primarily focused on depositing the functional layers of perovskite solar cells via solution-based processes, this dissertation deals with the deposition of planar perovskite solar cells employing vacuum-based techniques. It is shown that the deposition of the absorber by co-evaporation of lead iodide and methylammonium iodide leads to special requirements for the design of the evaporation system and the process control due to the high vapor pressure of the organic component. ... mehrTaking these specific requirements into account, a process is developed which allows for the fabrication of perovskite-based solar cells with stabilized power conversion efficiencies above 18%. It is further shown that the choice of substrate material also has a decisive influence on the morphology of the absorber and its optoelectronic properties. Based on this, the development of highly efficient electron-beam-evaporated hole transport layers based on nickel oxide is carried out, whose integration into solar cells allows for power conversion efficiencies as high as 21%. Following chapters present the concept of fully vacuum-processed perovskite solar cells. These solar cells prove to be particularly promising with regard to the scalability of the deposition, which is illustrated by the first vacuum-processed prototype solar module described in the literature. Due to their homogeneous deposition, vacuum-processed solar cells are identified as an ideal candidate for use in tandem solar cells based on rough CIGS or textured silicon.