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Advanced light management concepts for perovskite photovoltaics
Um die rasante Zunahme der Treibhausgasemission zu bremsen und damit die globale ErderwĂ€rmung, 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. DafĂŒr wird gegenwĂ€rtig 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 ĂŒber 25%. Die rasche Entwicklung der Perowskit-basierten PV ist vor allem durch das Versprechen einer kostengĂŒnstigen, effizienten und skalierbaren Technologie motiviert. Sie gilt zum einen als Konkurrenz zur bestehenden Silizium-PV und zum anderen als Partner fĂŒr 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 (â27%) und sogar die Shockley-Queisser-Grenze fĂŒr Einfachsolarzellen (â34%) zu ĂŒbertreffen.
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 zusĂ€tzlich erforderliche Funktionsschichten, wie die transparenten Elektroden, Ladungstransportschichten und Passivierungsschichten zurĂŒckzufĂŒhren, die gemeinsam zu Reflexionsverlusten und Verlusten durch parasitĂ€re 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 unerlĂ€sslich. 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 fĂŒr den PCE, sondern auch fĂŒr den EY zu optimieren. Daher ist ein ausgeklĂŒgeltes Lichtmanagement nicht nur auf Tandem-Solarmodule beschrĂ€nkt, sondern fĂŒr jede Art von Solarmodul wichtig.
In dieser Arbeit werden verschiedene Lichtmanagementkonzepte fĂŒr die Perowskit-basierte-PV diskutiert und in Bezug auf den PCE und den jĂ€hrlichen EY bewertet. In diesem Zusammenhang werden Mikrotexturen fĂŒr eine verbesserte Lichteinkopplung an der Luft/Glas-GrenzflĂ€che untersucht, was fĂŒr alle PV-Technologien relevant ist. Die Mikrotexturen an der Vorderseite des Solarmoduls bieten die Möglichkeit, die Luft/Glas-Reflexion fast vollstĂ€ndig zu eliminieren und bei schrĂ€gen Einfallswinkeln (z.B. 80°) um ca. 80%rel zu reduzieren. Die experimentelle Realisierung zeigt die Erhöhung des PCE um 12%rel bzw. 5%rel fĂŒr planare und texturierte Siliziumsolarzellen. DarĂŒber hinaus werden Mikrotexturen auf Perowskit/c-Si-Tandem-Minimodulen realisiert, die den PCE um 10%rel verbessern. Aufgrund der ausgezeichneten WinkelstabilitĂ€t 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 ĂŒbertreffen.
ZusĂ€tzlich zur ersten GrenzflĂ€che jedes Solarmoduls werden die Reflexionsverluste an den vorderen halbtransparenten Indiumzinnoxid (ITO) Elektroden der Perowskit-Solarzellen untersucht. Mit Hilfe von nanotexturierten Glas/ITO-GrenzflĂ€chen können diese Verluste minimiert werden, was zu einem verbesserten Strom in der oberen Perowskit- und unteren c-Si-Solarzelle fĂŒhrt. Dies verbessert den Tandem-PCE um 2%rel. DarĂŒber 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 fĂŒhren zu einer verbesserten Absorption in der NĂ€he der BandlĂŒcke, indem das einfallende Licht in quasi-gefĂŒhrte 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. DarĂŒber hinaus bieten die nanophotonischen Perowskit-Solarzellen eine einfache Möglichkeit, den um-weltschĂ€dlichen Bleigehalt in den Perowskit-Solarzellen bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, um 30%rel zu verringern. DarĂŒber hinaus verĂ€ndert die nanophotonische Modifikation des Absorbers die WinkelabhĂ€ngigkeit der Perowskit-Solarzellen nicht und fĂŒhrt zu den Ă€quivalenten Verbesserungen des EY.
SchlieĂlich wird ein neuartiges Herstellungsverfahren fĂŒr Perowskit-Solarzellen vorgestellt, dass eine einfache Laminierung der Perowskit-Solarzellen ermöglicht. Damit umgeht die Laminierung InkompatibilitĂ€ten bei konventionellen Schichtabscheidungs-techniken und bietet somit mehr FlexibilitĂ€t und Freiheit bei der Wahl der Ladungstransportmaterialien fĂŒr die Perowskit-Solarzellenherstellung. Erste Prototypen zeigen eine ausgezeichnete Langzeit- und TemperaturstabilitĂ€t der laminierten Perowskit-Solarzellen mit einem PCE ĂŒber 14%. Das vorgestellte Laminierungskonzept bahnt damit den Weg fĂŒr eine direkte Laminierung von Perowskit-Solarzellen auf die bestehende Siliziumtechnologie und hat so ein groĂes Potential fĂŒr die aktuelle Perowskit-basierte Tandemforschung
Energy yield modelling of textured perovskite/silicon tandem photovoltaics with thick perovskite top cells
Annual energy yield of mono- and bifacial silicon heterojunction solar modules with high-index dielectric nanodisk arrays as anti-reflective and light trapping structures
The annual energy yield of mono- and bifacial silicon heterojunction solar modules with high-index dielectric nanodisk arrays as anti-reflective and light trapping structures
While various nanophotonic structures applicable to relatively thin
crystalline silicon-based solar cells were proposed to ensure effective light
in-coupling and light trapping in the absorber, it is of great importance to
evaluate their performance on the solar module level under realistic
irradiation conditions. Here, we analyze the annual energy yield of relatively
thin heterojunction (HJT) solar module architectures when optimized
anti-reflective and light trapping titanium dioxide (TiO) nanodisk square
arrays are applied on the front and rear cell interfaces. Our numerical study
shows that upon reducing crystalline silicon (c-Si) wafer thickness, the
relative increase of the annual energy yield can go up to 11.0 %
and 43.0 % for mono- and bifacial solar modules, respectively,
when compared to the reference modules with flat optimized anti-reflective
coatings of HJT solar cells.Comment: 24 pages, 7 figure
Laminated Perovskite Photovoltaics: Enabling Novel Layer Combinations and Device Architectures
Highâefficiency perovskiteâbased solar cells can be fabricated via either solutionâprocessing or vacuumâbased thinâfilm deposition. However, both approaches limit the choice of materials and the accessible device architectures, due to solvent incompatibilities or possible layer damage by vacuum techniques. To overcome these limitations, the lamination of two independently processed halfâstacks of the perovskite solar cell is presented in this work. By laminating the two halfâstacks at an elevated temperature (â90 °C) and pressure (â50 MPa), the polycrystalline perovskite thinâfilm recrystallizes and the perovskite/charge transport layer (CTL) interface forms an intimate electrical contact. The laminated perovskite solar cells with tin oxide and nickel oxide as CTLs exhibit power conversion efficiencies of up to 14.6%. Moreover, they demonstrate longâterm and highâtemperature stability at temperatures of up to 80 °C. This freedom of design is expected to access both novel device architectures and pairs of CTLs that remain usually inaccessible
Nanostructured front electrodes for perovskite/c-Si tandem photovoltaics
The rise in the power conversion efficiency (PCE) of perovskite solar cells has triggered enormous interest in perovskite-based tandem photovoltaics. One key challenge is to achieve high transmission of low energy photons into the bottom cell. Here, nanostructured front electrodes for 4-terminal perovskite/crystalline-silicon (perovskite/c-Si) tandem solar cells are developed by conformal deposition of indium tin oxide (ITO) on self-assembled polystyrene nanopillars. The nanostructured ITO is optimized for reduced reflection and increased transmission with a tradeoff in increased sheet resistance. In the optimum case, the nanostructured ITO electrodes enhance the transmittance by âŒ7% (relative) compared to planar references. Perovskite/c-Si tandem devices with nanostructured ITO exhibit enhanced short-circuit current density (2.9â
mA/cm2 absolute) and PCE (1.7% absolute) in the bottom c-Si solar cell compared to the reference. The improved light in-coupling is more pronounced for elevated angle of incidence. Energy yield enhancement up to âŒ10% (relative) is achieved for perovskite/c-Si tandem architecture with the nanostructured ITO electrodes. It is also shown that these nanostructured ITO electrodes are also compatible with various other perovskite-based tandem architectures and bear the potential to improve the PCE up to 27.0%
Scalable two-terminal all-perovskite tandem solar modules with a 19.1% efficiency
Monolithic all-perovskite tandem photovoltaics promise to combine low-cost and high-efficiency solar energy harvesting with the advantages of all-thin-film technologies. To date, laboratory-scale all-perovskite tandem solar cells have only been fabricated using non-scalable fabrication techniques. In response, this work reports on laser-scribed all-perovskite tandem modules processed exclusively with scalable fabrication methods (blade coating and vacuum deposition), demonstrating power conversion efficiencies up to 19.1% (aperture area, 12.25âcm2; geometric fill factor, 94.7%) and stable power output. Compared to the performance of our spin-coated reference tandem solar cells (efficiency, 23.5%; area, 0.1âcm2), our prototypes demonstrate substantial advances in the technological readiness of all-perovskite tandem photovoltaics. By means of electroluminescence imaging and laser-beam-induced current mapping, we demonstrate the homogeneous current collection in both subcells over the entire module area, which explains low losses (<5%rel) in open-circuit voltage and fill factor for our scalable modules
Perovskite-silicon tandem solar modules with optimised light harvesting
© 2018 The Royal Society of Chemistry. Perovskite-silicon tandem solar cells are potentially attractive, inexpensive solutions to surpass the power conversion efficiency limits of market-leading silicon solar cells. While such tandem solar cells have been demonstrated to reach high efficiencies, they require advanced light management to utilise the solar spectrum efficiently. Moreover, area upscaling with minimal optical losses is necessary to transfer the properties of lab scale devices to commercial scale products. Here, we demonstrate four-terminal perovskite-silicon tandem solar modules with efficient light management. With rigorous optical simulations of the complete tandem stack, we design light management concepts that minimise overall reflection and enhance complementary absorption of the subcells. The optical optimisation results in four-terminal tandem power conversion efficiencies of 25.3% on 0.13 cm2 and 23.9% on 4 cm2, both exceeding the stand-alone silicon solar cell power conversion efficiency of 23.0%.status: publishe