Abstract:
Um die rasante Zunahme der Treibhausgasemission zu bremsen und damit die globale Erderwärmung, ist ein schneller Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien unabdingbar. In dieser Hinsicht spielt die Photovoltaik (PV) eine entscheidende Rolle, um eine effiziente Dekarbonisierung der globalen Stromerzeugung voranzutreiben. Dafür wird gegenwärtig sowohl an bestehender Silizium-PV, als auch an neuen PV-Technologien geforscht.
Der prominenteste Kandidat unter den neuen Technologien sind die Perowskit-Solarzellen. Diese haben in den letzten 10 Jahren eine beispiellose Effizienzsteigerung durchlaufen und erzielen heute Rekordwirkungsgrade über 25%. ... mehrDie rasche Entwicklung der Perowskit-basierten PV ist vor allem durch das Versprechen einer kostengünstigen, effizienten und skalierbaren Technologie motiviert. Sie gilt zum einen als Konkurrenz zur bestehenden Silizium-PV und zum anderen als Partner für die Anwendung in Perowskit/Silizium Tandem-PV. In dieser Hinsicht bietet die Perowskit-basierte Tandem-PV die Aussicht, den derzeitigen Rekordwirkungsgrad von Silizium (c-Si) Solarzellen (≈27%) und sogar die Shockley-Queisser-Grenze für Einfachsolarzellen (≈34%) zu übertreffen.
Eine verbleibende Herausforderung, sowie ein aktuell stark untersuchtes Forschungsthema von Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen, ist ihre geringere Lichtausbeute im Vergleich zu konventionellen c-Si Solarzellen. Dies ist insbesondere auf zusätzlich erforderliche Funktionsschichten, wie die transparenten Elektroden, Ladungstransportschichten und Passivierungsschichten zurückzuführen, die gemeinsam zu Reflexionsverlusten und Verlusten durch parasitäre Absorption beitragen. Dies reduziert sowohl den Wirkungsgrad (PCE) als auch den Energieertrag (EY) der Tandem-Solarzelle. Um Reflexions- und Absorptionsverluste zu minimieren, ist ein fortschrittliches Lichtmanagement unerlässlich. Da sich die realistischen Einstrahlungsbedingungen stark von typischen Standardtestbedingungen unterscheiden (z.B. spektrale Variation und variabler Einfallswinkel des Sonnenlichts), ist es zwingend notwendig, PV-Module nicht nur für den PCE, sondern auch für den EY zu optimieren. Daher ist ein ausgeklügeltes Lichtmanagement nicht nur auf Tandem-Solarmodule beschränkt, sondern für jede Art von Solarmodul wichtig.
In dieser Arbeit werden verschiedene Lichtmanagementkonzepte für die Perowskit-basierte-PV diskutiert und in Bezug auf den PCE und den jährlichen EY bewertet. In diesem Zusammenhang werden Mikrotexturen für eine verbesserte Lichteinkopplung an der Luft/Glas-Grenzfläche untersucht, was für alle PV-Technologien relevant ist. Die Mikrotexturen an der Vorderseite des Solarmoduls bieten die Möglichkeit, die Luft/Glas-Reflexion fast vollständig zu eliminieren und bei schrägen Einfallswinkeln (z.B. 80°) um ca. 80%rel zu reduzieren. Die experimentelle Realisierung zeigt die Erhöhung des PCE um 12%rel bzw. 5%rel für planare und texturierte Siliziumsolarzellen. Darüber hinaus werden Mikrotexturen auf Perowskit/c-Si-Tandem-Minimodulen realisiert, die den PCE um 10%rel verbessern. Aufgrund der ausgezeichneten Winkelstabilität der Mikrotexturen spiegelt sich die Verbesserung des PCE auch im EY wider, was durch Simulationen gezeigt wird, bei denen die Verbesserungen im EY die des PCE um 2%rel übertreffen.
Zusätzlich zur ersten Grenzfläche jedes Solarmoduls werden die Reflexionsverluste an den vorderen halbtransparenten Indiumzinnoxid (ITO) Elektroden der Perowskit-Solarzellen untersucht. Mit Hilfe von nanotexturierten Glas/ITO-Grenzflächen können diese Verluste minimiert werden, was zu einem verbesserten Strom in der oberen Perowskit- und unteren c-Si-Solarzelle führt. Dies verbessert den Tandem-PCE um 2%rel. Darüber hinaus sind die nanotexturierten Elektroden winkelstabil und versprechen in den Simulationen eine Erhöhung des EY um 10%rel, was höher ist als die simulierte Verbesserung des PCE um 9%rel.
Weitere nanophotonische Modifikationen der Absorberschicht der Perowskit-Solarzelle führen zu einer verbesserten Absorption in der Nähe der Bandlücke, indem das einfallende Licht in quasi-geführte Moden eingekoppelt wird. Simulationen zeigen, dass dies die Stromerzeugung in den Perowskit-Solarzellen um bis zu 6%rel verbessert. Erste experimentelle Ergebnisse demonstrieren eine Verbesserung um 2%rel. Darüber hinaus bieten die nanophotonischen Perowskit-Solarzellen eine einfache Möglichkeit, den um-weltschädlichen Bleigehalt in den Perowskit-Solarzellen bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, um 30%rel zu verringern. Darüber hinaus verändert die nanophotonische Modifikation des Absorbers die Winkelabhängigkeit der Perowskit-Solarzellen nicht und führt zu den äquivalenten Verbesserungen des EY.
Schließlich wird ein neuartiges Herstellungsverfahren für Perowskit-Solarzellen vorgestellt, dass eine einfache Laminierung der Perowskit-Solarzellen ermöglicht. Damit umgeht die Laminierung Inkompatibilitäten bei konventionellen Schichtabscheidungs-techniken und bietet somit mehr Flexibilität und Freiheit bei der Wahl der Ladungstransportmaterialien für die Perowskit-Solarzellenherstellung. Erste Prototypen zeigen eine ausgezeichnete Langzeit- und Temperaturstabilität der laminierten Perowskit-Solarzellen mit einem PCE über 14%. Das vorgestellte Laminierungskonzept bahnt damit den Weg für eine direkte Laminierung von Perowskit-Solarzellen auf die bestehende Siliziumtechnologie und hat so ein großes Potential für die aktuelle Perowskit-basierte Tandemforschung.
Abstract (englisch):
To slow the rapid increase in greenhouse gas emissions, and thus slow down global warming, a rapid transition from fossil fuels to renewable energies is crucial. In this respect, photovoltaics (PV) plays a decisive role in driving forward the efficient decarbonization of global electricity generation. Currently, research is being conducted on existing technologies such as silicon PV as well as on new PV technologies. The most prominent candidate among the new technologies are the perovskite solar cells, which have experienced an unprecedented increase in performance over the last 10 years, with current record power conversion efficiencies (PCEs) exceeding 25%. ... mehrThe rapid development of perovskite-based PV is mostly motivated by the promise of a cost-effective, efficient and scalable technology, which is seen as a competitor to silicon-based PV and partner for the existing silicon technology for tandem applications. In this respect, perovskite-based tandem PV offers the prospect of exceeding the current record PCE of crystalline silicon (c-Si) solar cells (≈27%) and even the single junction Shockley-Queisser limit (≈34%).
A remaining challenge and currently strongly investigated research topic of perovskite/c-Si tandem solar cells is their reduced light-harvesting compared to conventional c-Si solar cells. In particular, this is due to additional required functional layers such as the transparent electrodes, charge transport layers and passivation layers, which all contribute to reflection losses as well as losses due to parasitic absorption. This reduces the overall PCE and EY of the tandem solar cell. Therefore, advanced light management is essential to minimize reflection and absorption losses. Since realistic irradiation conditions differ greatly from typical standard test conditions (e.g. spectral variation and variable angle of incidence of sunlight), it is essential to optimize PV modules not only for PCE but also for EY. Thus, sophisticated light management is not limited to tandem solar modules, but is important for any type of solar module.
In this thesis, various light management concepts for perovskite-based PV are discussed and evaluated with respect to the PCE and the annual EY. In this context, microtextures for improved light-incoupling at the air/glass interface are investigated, which is relevant for all PV technologies. The microtextures at the front of the solar module provide the ability to eliminate the air/glass reflection almost completely and reduce it by around 80%rel for oblique incidence angles (e.g. 80°). Experimental realization demonstrates the increase of the PCE by 12%rel and 5%rel for planar and textured silicon solar cells, respectively. Moreover, microtextures on top of perovskite/c-Si tandem minimodules are realized, which improve the PCE by 10%rel. Due to the excellent angular stability of the microtextures, this improvement in the PCE is reflected in the EY as well, which is shown by simulations, where the enhancements in the EY exceed those of the PCE by 2%rel.
In addition to the first interface of each solar cell architecture, the reflection losses at the front semitransparent indium tin oxide (ITO) electrodes of the perovskite solar cells are investigated. By means of nanotextured glass/ITO interfaces, these losses can be minimized, resulting in an improved current in the top perovskite and bottom c-Si solar cell. This improves the tandem PCE by 2%rel. Furthermore, the nanotextured electrodes are angular stable and promise an increase in EY of 10%rel in simulations, which is higher than the simulated improvement in PCE of 9%rel.
Further nanophotonic modifications of the absorber layer of the perovskite solar cell itself leads to an improved absorption near the band gap by coupling the incident light to quasi-guided modes. Simulations show that this improves the current in the perovskite solar cells by up to 6%rel. First experimental results demonstrate an improvement of 2%rel. Moreover, the nanophotonic perovskite solar cells provide a simple way to mitigate the environmentally harmful lead content in perovskite solar cells by about 30%rel while maintaining the same efficiency. Furthermore, the nanophotonic modification of the absorber does not change the angular dependence of the perovskite solar cells and leads to similar improvements in EY.
Finally, a novel manufacturing method for perovskite solar cells is presented, which enables a facile lamination of the perovskite solar cells. With this, the lamination evades layer incompatibilities in conventional layer depositions techniques, and thus offers flexibility and brings freedom in the choice of charge transport materials to the perovskite solar cell fabrication. First prototypes show excellent long-term and thermal stability of the perovskite solar cells with PCEs above 14%. The presented concept of lamination paves the way for the direct lamination of perovskite solar cells onto the existing silicon technology, and thus has great potential for current perovskite-based tandem research.
