Four-Terminal Perovskite-CIGS Tandem Solar Cells with Improved Near-Infrared Response

Perowskit-CIGS-Tandem-Solarzellen zeigen großes Potenzial Wirkungsgrade von über 30% zu erreichen und damit die Kommerzialisierung der Dünnschicht-Photovoltaik zu revolutionieren. Parasitäre Verlustmechanismen wie etwa eine unerwünschte Absorption von langwelligem Licht in den Kontaktschichten limitieren jedoch die maximale Effizienz der Tandem-Solarzellen.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung hocheffizienter, semitransparenter Perowskitsolarzellen, der Minimierung parasitärer Verluste in deren Kontaktschichten und mit der Herstellung von gestapelten Tandem-Solarzellen mit CIGS als Partnerzelle.
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Dafür wird zunächst die Effizienz von opaken Perowskitsolarzellen durch die Implementierung einer zusätzlichen Fulleren-basierten Elektronenleiterschicht optimiert, was durch die Entwicklung eines neuartigen Nanopartikel-basierten Verfahrens zur Verbesserung der Benetzbarkeit unterstützt wird.
Die Entwicklung spezieller transparenter Kontaktschichten aus Wasserstoff-dotiertem Indiumoxid (IO:H) und Indiumzinkoxid (IZO) erfolgt durch Kathodenzerstäubung unter variabler Zugabe von Sauerstoff- bzw. Wasserstoffgas. Die nachträgliche Kristallisation von amorphem IO:H führt zu besonders niedrigen Absorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich, was für die Anwendung in Tandem-Solarzellen von entscheidendem Vorteil ist.
Semitransparente Perowskitzellen, die mit diesen Kontakten ausgestattet sind, erreichen hohe Effizienzen von über 15%und ermöglichen eine Steigerung der mittleren Zell-Transmission von 55% auf 75% verglichen mit kommerziellen Kontaktschichten wie Indiumzinnoxid (ITO).
Durch diese Transmissionssteigerung werden Tandem-Solarzellen realisiert, die eine gemeinsame Zellfläche von 0,5 cm² und einen verbesserten Wirkungsgrad von bis zu 23,0% aufweisen. Die Analyse der optischen Verlustmechanismen der verschiedenen Tandem-Solarzellen mittels Simulations-gestützter Methoden zeigt unter anderem auf, dass der Beitrag der Kontaktschichten zu den parasitären Gesamtabsorptionsverlusten von ca. 60% auf 40% gesenkt werden kann.

Perovskite-CIGS tandem solar cells are promising candidates for next-generation photovoltaic applications due to their potential power conversion efficiency beyond 30%. One limitation of the efficiency is unfavourable parasitic absorption of low energetic light in the electrode layers. This dissertation focuses on the development of highly efficient semitransparent perovskite solar cells with minimized parasitic absorption and their combination with CIGS solar cells into stacked tandem devices.
In the progress, opaque perovskite solar cells are efficiency-optimized by implementation of an additional fullerene-based electron transport layer. ... mehrA new nanoparticle based method for improving the layer formation is designed to support the fabrication.
Suitable transparent electrode layers of hydrogen-doped indium oxide (IO:H) and indium zinc oxide (IZO) are developed by sputter deposition under addition of oxygen or hydrogen as reactive gas components. Especially the reduction of the NIR-absorption by post deposition crystallization of amorphous IO:H films proves to be advantageous for the application in tandems.
Semitransparent perovskite solar cells that are equipped with these electrode layers achieve high efficiencies of over 15% while the average NIR-transmittance of the device is increased from 55% to 75% compared to commercial electrode materials such as indium tin oxide (ITO).
In a tandem setup the CIGS bottom cell profits from the increased transmittance of the top cell and a combined tandem efficiency of 23.0% is demonstrated on an active area of 0.5 cm². The simulation based analysis of the optical loss mechanisms of different tandem cells shows that the contribution of the electrodes to the total parasitic absorption is reduced from 60% to 40%.