Degradation of Perovskite Solar Cells Induced by Intrinsic Stress Factors

Der steigende weltweite Energiebedarf und die übermäßige Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energiequellen haben zur globalen Erwärmung geführt. Unter den nachhaltigen Alternativen hebt sich Solarenergie als tragfähige Lösung zur Abschwächung der Klimakrise hervor, aufgrund ihrer zunehmenden Verbreitung, sinkenden Kosten und kürzeren Genehmigungszeiten für die Netzintegration. Jüngste Fortschritte in der Photovoltaiktechnologie, insbesondere bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen (TSCs), zeigen ein bemerkenswertes Potenzial zur Steigerung der Energieumwandlungseffizienz über die Grenzen konventioneller Siliziumsolarzellen hinaus. ... mehrDurch die Kombination von Absorbern mit komplementären Bandlücken zielen TSCs darauf ab, ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts effizienter zu nutzen. Trotz der Erreichung von Rekordwirkungsgraden im Labormaßstab wird die Kommerzialisierung von Perowskit-Silizium-TSCs jedoch durch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen (PSCs) eingeschränkt. Stressfaktoren wie Licht, erhöhte Temperaturen, Spannungseinflüsse, Feuchtigkeit und Sauerstoff führen zu schneller Material- und Gerätealterung der PSCs. Eine detaillierte Untersuchung der Degradationsmechanismen unter betrieblichen Bedingungen ist notwendig, um die Ursachen des Versagens zu identifizieren.
Einzelschicht-Perowskit-Solarzellen bieten eine geeignete Plattform, um die Degradation einzelner Subzellen isoliert zu untersuchen, bevor komplexere Gerätearchitekturen wie Perowskit-Silizium-TSCs betrachtet werden, bei denen Stabilitätsprobleme durch zusätzliche Schnittstellen und Materialinteraktionen verstärkt werden. Da Tandemsolarzellen zunehmend an Bedeutung gewinnen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen und die Stromgestehungskosten weiter zu senken, stehen insbesondere zweipolige TSCs vor mehreren kritischen Herausforderungen, die ihre kommerzielle Einführung verzögern. Ein zentrales Problem ist das Stromabgleich (Current Matching) zwischen den Subzellen, das aufgrund der Serienverschaltung erforderlich ist. Spektrale Verschiebungen, nicht-uniforme Beleuchtung oder Degradation einer Subzelle führen zu einem Ungleichgewicht in der Stromerzeugung der oberen und unteren Zelle. Das Tandemsystem arbeitet dann suboptimal, wobei der Gesamtstrom der TSC durch den geringeren Strom einer der beiden Subzellen limitiert wird. Stromungleichgewichte können langfristigen Stress verursachen, der die Degradation, insbesondere an den rekombinierenden Zwischenkontakten, beschleunigt. Als Antwort auf diese Einschränkungen werden alternative Strategien zur effektiveren Nutzung des Sonnenspektrums untersucht. Eine dieser Ansätze ist die Photonenkonversion (Upconversion), bei der Photonen mit niedriger Energie in Photonen höherer Energie umgewandelt werden, die dann vom aktiven Absorbermaterial aufgenommen werden können. Trotz des konzeptionellen Potenzials dieser Methode fehlen bislang umfassende Machbarkeitsstudien zur Integrationsfähigkeit in PSCs und deren Auswirkungen auf die Langzeitstabilität.
In dieser Arbeit wird systematisch der Einfluss von Verarbeitungsparametern – insbesondere der Precursor-Stöchiometrie und der Abschrecktechnik – auf die Dünnschichteigenschaften von Perowskitmaterialien untersucht. Dabei wird aufgezeigt, wie diese Materialeigenschaften die Leistung und die betriebliche Stabilität von PSCs beeinflussen. Es werden Degradationsanalysen durchgeführt, um die Ursachen des Leistungsverlusts von Einzelschicht-PSCs unter verschiedenen Betriebsstressfaktoren zu identifizieren. Unter den untersuchten Parametern hat sich gezeigt, dass die Precursor-Stöchiometrie einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität der PSCs unter Betriebsbedingungen hat. Nach erfolgreicher Integration von Perowskitabsorbern in zweipolige Tandemzellen werden die Auswirkungen des Stromabgleichs auf die Geräteleistung und die
Langzeitstabilität untersucht. Ein möglichst präziser Stromabgleich zwischen den Subzellen in zweipoligen Perowskit-Tandemsolarzellen ist entscheidend für eine stabile Betriebsdauer. Zur Überwindung der inhärenten Begrenzungen durch Stromungleichgewichte wird außerdem eine umfassende Machbarkeitsanalyse der Photonenkonversion durchgeführt, mit Fokus auf deren Auswirkungen auf die Langzeitstabilität. Darüber hinaus wird zur Bewertung der praktischen Anwendbarkeit von zweipoligen Perowskit-basierten TSCs deren Leistung unter realen Außenbedingungen untersucht. Die Überbrückung dieser Wissenslücken und die Bewältigung der Stabilitätsprobleme sind entscheidend, um das volle Potenzial der nächsten Generation von Perowskit-Photovoltaiksystemen auszuschöpfen.

The rising global energy demand and the overdependence on the non-renewable energy resources has led to global warming. Among the sustainable alternatives, as a viable solution to mitigate the climate crisis, solar energy stands out for its increasing deployment, falling costs and shorter approval timelines for grid integration. Recent advancements in photovoltaic technologies, particularly perovskite-silicon tandem solar cells (TSCs), have shown remarkable potential in enhancing the power conversion efficiencies beyond the limits of the conventional silicon solar cells. ... mehrBy stacking absorbers with complementary bandgaps, TSCs aim to utilize a broader portion of the solar spectrum more efficiently. However, despite achieving record-breaking efficiencies in laboratory scale, the commercialization of perovskite-silicon TSCs is hindered by challenges related to the long-term stability of perovskite solar cells (PSCs).
Stressors such as light, elevated temperature, voltage bias, moisture and oxygen lead to rapid material and device degradation of PSCs. Detailed investigations into degradation mechanisms under the influence of operational factors are necessary in analyzing the root causes of failure. Single junction perovskite solar cells are a platform to study the degradation of individual sub cell independently, before advancing to more complex device configurations, such as perovskite-silicon TSCs, where stability challenges are compounded by additional interfaces and material interactions. As TSCs, become increasingly relevant for achieving high efficiencies and further reducing the levelized cost of electricity, the practical realization of two-terminal TSCs face several critical challenges delaying their commercial deployment. One of the foremost issues is current matching between the subcells, a requirement due to the series-connected subcell configuration. Spectral shifts, non-uniform illumination, or subcell degradation leads to mismatch in the current generated by the top and the bottom cells. The tandem system operates sub-optimally, with the overall current of the TSCs being limited by the lower current of the two subcells. Current mismatch can induce long-term stress that accelerates degradation, particularly at the interconnecting recombination junctions. In response to these limitations, alternative strategies are also being explored to harvest the solar spectrum more effectively. One such approach is photon upconversion, which enables the transformation of sub-bandgap photons into usable higher-energy photons that can be absorbed by the active layer of the solar cell. Despite the conceptual potential of this approach, feasibility studies focusing on the integration compatibility in the PSCs on the long-term stability are largely absent.
This work systematically investigates the influence of processing parameters (mainly precursor stoichiometry and quenching technique) on the thin film properties of perovskite materials and elucidates how these properties affect the performance and operational stability of PSCs. Degradation analyses are conducted to identify the root cause of failure in single junction PSCs, under different the operational stress factors. Among the parameters studied, precursor stoichiometry greatly influences the stability of the PSCs under the operational stress factors. Following the successful integration of perovskite absorbers into the two-terminal TSCs, the effects of current matching between subcells on device efficiency and long-term stability are examined. Close current matching in subcells of the two-terminal all-perovskite tandem solar cells is best for operational stability. To address the inherent limitations associated with current mismatch, a comprehensive feasibility assessment of photon upconversion is conducted, with a focus on its implications for the long-term operational stability. Furthermore, to evaluate the practical viability of the two-terminal perovskite-based TSCs; their performance is assessed under real-world outdoor conditions. Bridging this knowledge gap and overcoming these stability challenges are key to realizing the full potential of the next-generation perovskite photovoltaics.