Semitransparent perovskite solar cells for perovskite-based tandem photovoltaics

Erneuerbare Energietechnologien auf der Grundlage der Photovoltaik werden in Zukunft eine bedeutende Rolle bei der Deckung des weltweiten Energiebedarfs spielen. Dazu muss der Wirkungsgrad der etablierten und marktbeherrschenden Photovoltaik-Technologie - kristallinem Silizium (c-Si) - erhoht werden. Der Wirkungsgrad von c-Si-Solarzellen ist jedoch bereits nahe an seiner fundamentalen Grenze von ≈29%, und daher stellen weitere Verbesserungen aus wissenschaftlicher Sicht eine Herausforderung dar. Eine Strategie zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades ist die Kombination eines Halbleiters mit hoher Bandlucke (≈1.7 eV) mit einer c-Si-Einfachsolarzelle (1.1 eV) in einer Tandemkonfiguration mit vier Anschlussen (4T). Vielversprechende Kandidaten sind Organometall-Halogenid-Perowskit-Materialien, die in letzter Zeit aufgrund ihrer potenziell niedrigen Herstellungskosten und hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften grose Aufmerksamkeit hervorgerufen haben. Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen haben bereits fast die fundamentale Wirkungsgrad-Grenze von c-Si-Single-Junction-Solarzellen uberschritten, wobei weitere Verbesserungen absehbar sind. Um den Wirkungsgrad von Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen weiter zu verbessern, mussen einige zentrale Herausforderungen bewaltigt werden. Diese Herausforderungen konnen in optische und elektrische Verluste kategorisiert werden. Zu den optischen Verlusten gehoren parasitare Absorptions- (vorwiegend durch die Elektroden aus transparentem leitfahigem Oxid (TCO)) und Reflexionsverluste innerhalb des Schichtstapels sowie die Verwendung einer nicht idealen Bandlucke des Perowskit-Absorbers. Elektrische Verluste entstehen durch nichtstrahlende Rekombinationsprozesse innerhalb des Bulk-Materials oder an den Grenzflachen innerhalb des Perowskit-Schichtstapels sowie durch nicht optimale Extraktion der erzeugten Ladungstrager. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Minimierung der optischen Verluste, indem ihr Ursprung untersucht und neue Strategien zu ihrer Uberwindung entwickelt werden. Als Ausgangspunkt wird eine neuartige hauseigene und vielseitige, bei niedrigen Temperaturen prozessierbare, auf Nanopartikeln basierende Elektronentransportschicht entwickelt, um Perowskit-Einfachsolarzellen auf TCOs mit geringer parasitarer Absorption herzustellen. Perowskit-Solarzellen mit dieser Elektronentransportschicht weisen Wirkungsgrade von uber 18% auf. Weiterhin werden in dieser Arbeit zur weiteren Verbesserung des Lichteinfangs in Tandem-Solarzellen neuartige nanophotonische Frontelektroden und alternative TCOs entwickelt. Zunachst wird gezeigt, dass die nanophotonischen Frontelektroden nicht nur die Kurzschlussstromdichte in der Perowskit-Top-Solarzelle verbessern, sondern auch die Transmission im nahen Infrarot-Bereich erhohen und damit den Wirkungsgrad der c-Si-Bottom-Solarzelle stark verbessern. Zweitens werden qualitativ hochwertige alternative TCOs mit einer hauseigenen Sputter-Technik erforscht, die in Bezug auf Reflexions- und parasitare Absorptionsverluste kommerziell erhaltliche TCOs ubertreffen. Diese Konzepte werden angewendet um hocheffiziente 4T-Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 27.3% herzustellen, was nicht nur den derzeitigen Rekord-Wirkungsgrad von c-Si-Einfachsolarzellen ubertrifft, sondern auch einer der bisher hochsten Werte fur 4T-Perowskit/c-Si-Tandemarchitekturen ist. Daruber hinaus wird zum ersten Mal eine detaillierte experimentelle Untersuchung der optimalen Bandlucke des Perowskit-Absorbers in realistischen 'state-of-the-art‘ 4T-Perowskit/c-Si und Perowskit/CIGS-Tandemsolarzellen durchgefuhrt. Es wird gezeigt, dass ein breiter Bereich von Bandlucken zwischen 1.65-1.74 eV zu ahnlichen Wirkungsgraden fuhrt, was die Anforderungen an die exakte Bandlucke des Perowskit-Absorbers in hocheffizienten Tandemsolarzellen lockert.