Multi-Cation Perovskite Semiconductors for All-Perovskite Tandem Solar Cells

Der steigende Energiebedarf sowie der damit verbundene rasante Anstieg der Treibhausgasemissionen verursacht durch fossile Brennstoffe erfordern einen Übergang hin zu alternativen, sauberen Energiequellen. Dabei spielt die Photovoltaik als reichlich verfügbare und vielseitige Energiequelle eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung dieses Übergangs. Perowskit-Solarzellen mit elektrischen Wandlungswirkungsgraden von über 25% gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten neuer Photovoltaiktechnologien. Es wird erwartet, dass sie nicht nur aufgrund ihrer bemerkenswerten Entwicklungen in Bezug auf Leistungssteigerung, sondern auch auf Kostensenkung eine Schlüsselrolle in der Zukunft der Photovoltaik-Technologie spielen werden.
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Über ein Jahrzehnt an Optimierungen der Bauteilarchitektur und dem Erlangen neuer Erkenntnisse zu den Materialeigenschaften haben zur Verbesserung der Wirkungsgrade der Perowskit-Solarzellen und so zu deren stetigen Weiterentwicklung geführt. Dennoch sind diverse Fragen zum Verständnis der Eigenschaften dieser Materialklasse weiterhin ungeklärt. Ein häufig beobachtetes Phänomen ist die spontane Erhöhung des Wirkungsgrades frisch hergestellter Perowskit-Solarzellen, die über eine Zeitskala von einigen Tagen bis Wochen bei Lagerung bei Raumtemperatur auftritt. Der Ursprung dieses umstrittenen Phänomens ist eine Fragestellung, der im ersten Teil dieser Arbeit nachgegangen werden soll. Eine detaillierte Untersuchung zeigt, dass die spontane Erhöhung des Wirkungsgrades für eine Vielzahl von Multikationhalogenid Perowskit-Solarzellen mit unterschiedlichen Absorberzusammensetzungen und Bauteilarchitekturen auftritt.
Trotz ihrer rasanten Entwicklung ist der Wirkungsgrad von einfachen Perowskit-Solarzellen nach oben theoretisch begrenzt (<30%). Tandemtechnologien zeigen jedoch einen Weg auf, dieses fundamentale Limit zu überwinden (>35%). Kürzlich haben vollständig Perowskit-basierte Tandemsolarzellen, bestehend aus einer oberen Perowskit-Solarzelle mit hoher Bandlücke und einer unteren Perowskit-Solarzelle mit geringerer Bandlücke, eine neue Möglichkeit hin zu hocheffizienten aber gleichzeitig kostengünstigen Solarzellen eröffnet. In dieser Arbeit werden die Herausforderungen der Perowskit-Solarzellen mit geringer Bandlücke im Hinblick auf der Erzielung hocheffizienter Solarzellen diskutiert und Strategien zu deren Überwindung entwickelt.
Zu Beginn dieser Arbeit wird durch Optimierung der Absorberzusammensetzung eine deutliche Verbesserung der Photostabilität in diesen Solarzellen erzielt. Dies ermöglicht die Herstellung stabiler Perowskit-Absorber mit Bandlücken von 1,26 eV, was einem breiten Photonenabsorptionsbereich entspricht, der sich bis zu ca. 1000 nm erstreckt. Eine generelle Einschränkung bei der effizienten Nutzung des Potenzials dieser Absorber sind die optischen Verluste durch alle vor dem Absorber mit geringer Bandlücke befindlichen Schichten in der Tandemkonfiguration.
Diese Arbeit stellt sich der Herausforderung, die optischen Verluste auf zwei Arten zu reduzieren: (i) Ersatz der kommerziellen transparenten Frontelektrode durch eine gesputterte hochtransparente Elektrode mit deutlich geringerer parasitärer Absorption im nahen infraroten Bereich (<2%) und (ii) Beseitigung der lochselektiven Transportschicht der Solarzelle mit geringer Bandlücke welche die optischen Verluste im kurzwelligen Bereich begrenzt. Als Ergebnis können stabile und effiziente vollständig Perowskit-basierte Tandemsolarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 24,8% demonstriert werden, was zu den höchsten bisher berichteten Werten für dieses Bauteilkonzept gehört.

Rising energy demand as well as a rapid increase in greenhouse gas emission emanating from fossil fuels call for a transition to alternative clean energy resources (renewables). Photovoltaics as an abundantly available and versatile source of energy plays a prominent role in maximizing the forward momentum of this transition. Perovskite solar cells with power conversion efficiencies exceeding 25% are among the most promising candidates for the new photovoltaics technologies. They are expected to play a key role in the future of photovoltaic technology not only due to their remarkable developments in terms of performance enhancement but also cost reduction.
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Over a decade, countless investigations into improving the performance of perovskite solar cells through optimizing device architecture and understanding the material properties have resulted in the constant development of perovskite solar cells. Nevertheless, a few effects still shadow our comprehension of the properties of this class of material. A common phenomenon is the spontaneous enhancement of power conversion efficiency of pristine perovskite solar cells that occurs over a timescale of a few days to weeks storage at room temperature. The genesis of this phenomenon, which has been under debate, is a question the first part of this thesis sets out to explore. A detailed investigation reveals that spontaneous enhancement of power conversion efficiency occurs for a variety of multi-cation-halide perovskite solar cells with different perovskite compositions and device architectures. The structural analysis uncovered that a reduction in stain-induced trap states within the lattice structure of perovskite thin films is the origin of this phenomenon.
Despite their rapid growth, the power conversion efficiency of single-junction perovskite solar cells is fundamentally limited (<30%). Fortunately, tandem technologies reveal a path to surpass this limitation (>35%). Recently, all-perovskite tandem solar cell configurations, consisting of a wide-bandgap top and a narrow-bandgap bottom perovskite solar cell, have opened a window into highly efficient yet cost-effective solar cells. In this thesis, the challenges of narrow-bandgap perovskite solar cells with respect to improving photo-stability and achieving high efficiency solar cells are discussed and strategies to overcome them are developed.
From the outset, composition engineering exhibits a pronounced improvement in the photo-stability of narrow-bandgap perovskite solar cells. This allows for the development of a stable narrow-bandgap perovskite thin film, whose bandgap of 1.26 eV corresponds to a broad photon absorption range extending up to ≈1000 nm. One limitation in the way of exploiting the potential of this absorber is the optical losses in electrodes and top layers of a tandem configuration. This thesis meets the challenge of reducing the optical losses in two ways: (i) replacing the commonly used transparent electrodes with a sputtered highly transparent electrode with significantly low parasitic near-infrared absorption (<2%) and (ii) removing the hole transport layer of the narrow-bandgap bottom perovskite solar cells that limits the optical losses in the short wavelength region. As a result, stable and highly efficient four-terminal all-perovskite tandem solar cell attain power conversion efficiencies as high as 24.8%, which is amongst the highest values reported for all-perovskite tandem solar cells to date.