Degradation of Flexible Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist die Degradation flexibler Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Cu(In,Ga)Se2 Absorbern. Zur beschleunigten Alterung unter Laborbedingungen wurden unverkapselte Solarzellen in Klimaschränken Wärme und Feuchte ausgesetzt. Die Auswirkungen von Wärme und Feuchte auf die Solarzellen wurden zunächst durch Messung von Strom–Spannungs–Kennlinien (IV) und Kapazitäts–Spannungs–Charakteristiken (CV) erschlossen. Mittels in–situ Messungen der IV–Kennlinien der Solarzellen unter Wärme und Feuchte konnte die Degradationskinetik untersucht werden. Es gelang zwei Phasen der Alterung, eine anfängliche Verbesserung und die eigentliche Degradation, zu unterscheiden. Außerdem war es dadurch möglich Degradationsraten zu bestimmen. Die Untersuchung der Stabilität der Flächenkontakte erfolgte im Schichtverbund der Solarzelle und separat. Dann wurde der Einfluss von Natrium, einem Bestandteil der Cu(In,Ga)Se2 Solarzellen, untersucht. Schichtzusammensetzung, Elementprofile und Oberflächenbeschaffenheit wurden mittels Laser–induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS), Sekundärionen–Massenspektrometrie (SIMS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und 3D–Lasermikroskopie gemessen. Die Rolle von Natrium für den Degradationsprozess konnte für zwei unterschiedliche Methoden der Natriumeinbringung in den Absorber (Ko–Verdampfung, Nachbehandlung) beschrieben werden. Schließlich wurde mittels Elektrolumineszenz (EL), Thermographie (DLIT) und der Messung Lichtstrahl–induzierter Ströme (LBIC) die Degradation ortsaufgelöst untersucht und Inhomogenitäten detektiert. Aus spannungsabhängigen Elektrolumineszenzaufnahmen gelang es Serienwiderstandskarten zu errechnen. Die Kombination der genannten Messmethoden erlaubte eine Identifizierung dominanter Degradationsprozesse in den flexiblen Cu(In,Ga)Se2 Solarzellen unter Wärme und Feuchte. Unter anderen wurde die Degradation der Grenzfläche zwischen Absorber und Rückkontakt diskutiert. Die Degradationskinetik konnte beschrieben, Solarzelllebensdauern abgeschätzt, die für die Wärme–Feuchte–Stabilität nachteilige Wirkung von Natrium identifiziert und laterale Inhomogenitäten des Degradationsprozesses aufgezeigt werden. Aus der Diskussion der Ergebnisse wurden Vorschläge zur Verbesserung der Wärme–Feuchte–Stabilität abgeleitet

Photoscanning-Methode zur nichtinvasiven Charakterisierung fabrikationsbedingter Defekte in Solarzellen

Im folgenden Beitrag wird ein Verfahren zur nichtinvasiven Charakterisierung fabrikationsbedingter Defekte in Solarzellen, wie beispielsweise unterbrochene Fingerkontakte oder Risse im Solarmaterial, vorgestellt. Es werden Weiterentwicklungsansätze aufgezeigt, die zum Ziel haben, das Verfahren auf die einfache und schnelle Erkennbarkeit von Rissen zu optimieren, und es werden erste Untersuchungsergebnisse präsentiert

Advanced light management concepts for perovskite photovoltaics

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%. Die 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

Four-Terminal Perovskite-CIGS Tandem Solar Cells with Improved Near-Infrared Response

Perowskit-CIGS-Tandem-Solarzellen zeigen großes Potenzial Wirkungsgrade von über 30% zu erreichen und damit die Kommerzialisierung der Dünnschicht-Photovoltaik zu revolutionieren. Parasitäre Verlustmechanismen wie etwa eine unerwünschte Absorption von langwelligem Licht in den Kontaktschichten limitieren jedoch die maximale Effizienz der Tandem-Solarzellen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung hocheffizienter, semitransparenter Perowskitsolarzellen, der Minimierung parasitärer Verluste in deren Kontaktschichten und mit der Herstellung von gestapelten Tandem-Solarzellen mit CIGS als Partnerzelle. Dafür wird zunächst die Effizienz von opaken Perowskitsolarzellen durch die Implementierung einer zusätzlichen Fulleren-basierten Elektronenleiterschicht optimiert, was durch die Entwicklung eines neuartigen Nanopartikel-basierten Verfahrens zur Verbesserung der Benetzbarkeit unterstützt wird. Die Entwicklung spezieller transparenter Kontaktschichten aus Wasserstoff-dotiertem Indiumoxid (IO:H) und Indiumzinkoxid (IZO) erfolgt durch Kathodenzerstäubung unter variabler Zugabe von Sauerstoff- bzw. Wasserstoffgas. Die nachträgliche Kristallisation von amorphem IO:H führt zu besonders niedrigen Absorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich, was für die Anwendung in Tandem-Solarzellen von entscheidendem Vorteil ist. Semitransparente Perowskitzellen, die mit diesen Kontakten ausgestattet sind, erreichen hohe Effizienzen von über 15%und ermöglichen eine Steigerung der mittleren Zell-Transmission von 55% auf 75% verglichen mit kommerziellen Kontaktschichten wie Indiumzinnoxid (ITO). Durch diese Transmissionssteigerung werden Tandem-Solarzellen realisiert, die eine gemeinsame Zellfläche von 0,5 cm² und einen verbesserten Wirkungsgrad von bis zu 23,0% aufweisen. Die Analyse der optischen Verlustmechanismen der verschiedenen Tandem-Solarzellen mittels Simulations-gestützter Methoden zeigt unter anderem auf, dass der Beitrag der Kontaktschichten zu den parasitären Gesamtabsorptionsverlusten von ca. 60% auf 40% gesenkt werden kann

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. 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 (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

Development and Characterization of Co-evaporated CZTSe solar cells

Chalkogenid-basierte Dünnschichtsolarzellen wie z.B. Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) und CdTe konnten bereits erfolgreich in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden, weisen eine vergleichsweise geringe Ener-gierücklaufzeit auf und eignen sich für flexible Einsatzmöglichkeiten. Allerdings stellen sowohl die Toxizi-tät des verwendeten Cadmiums (Cd) als auch die begrenzte Verfügbarkeit von Indium (In) und Tellur (Te) eine Hürde für ihr weiteres Wachstumspotential dar. Dünne Schichten der quaternären Verbindun-gen Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) und Cu2ZnSnS4 (CZTS) sowie der daraus abgeleiteten Kompositionen Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) erlangten besondere Aufmerksamkeit innerhalb der Photovoltaik-Forschungsgemeinschaft aufgrund des reichhaltigen Vorkommens und der toxischen Unbedenklichkeit ihrer Bestandteile. Allerdings schränken das großes Defizit der offenen Klemmenspannung (VOC) und teilweise der geringe Füllfaktor (FF) verglichen mit CIGS und CdTe die weitere Kommerzialisierung dieser Technologie ein. Die Verbesserung von VOC und Füllfaktor hin zu konkurrenzfähigen Werten erfordert ein tieferes Verständnis sowohl der Wachstumsmechanismen des Absorbers als auch der Verteilung von Sekundärphasen und Defekten sowie der Art der Rekombinationsprozesse in den Solarzellen. Dementsprechend wurden im Rahmen dieser Arbeit grundlegende Studien über das Wachstum des CZTSe-Absorbers sowie die Leistungscharakteristika der entsprechenden Solarzellen durchgeführt. Dabei wurden drei verschiedene Konfigurationen der Vorläuferschichten untersucht: i) homogene, Se-haltige, mittels Koverdampfung hergestellte (Cu-Zn-Sn-Se) Vorläuferschichten, ii) homogene, metallische, kover-dampfte (Cu-Zn-Sn) Vorstufen und iii) mehrlagige, koverdampfte (Cu-Sn/Cu-Zn-Sn-Se/ZnSe/Cu-Zn-Sn-Se und Cu-Zn/Sn) Vorläuferschichten. Verschiedene Charakterisierungstechniken wurden sowohl auf die Vorläufer- und Absorberschichten sowie auf die vollständigen Solarzellen angewandt um deren Qualität beurteilen zu können. Unter Verwendung von Se-haltigen, koverdampften Vorläuferschichten konnten Solarzellen mit Wir-kungsgraden von bis zu 6,4% realisiert werden. Dennoch limitieren sowohl die Rekombination an der CdS/CZTSe-Grenzfläche als auch die Reproduzierbarkeit des Prozesses die Leistung der hergestellten Zellen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bereitstellung von zusätzlichem Sn in der Se-Atmosphäre während des Rekristallisationsprozesses der Cu-Zn-Sn-Se-Vorstufen ein geeigneter Ansatz zur Unterdrü-ckung von CdS/CZTSe-Grenzflächenrekombination sowie zur Stabilisierung des Herstellungsprozesses ist. Zusätzlich wurde der Einfluss des im Rahmen des Selenisierungsprozesses anfänglich eingestellten N2-Hintergrunddrucks auf die strukturellen Eigenschaften der CZTSe-Absorberschicht und die entsprechen-den Solarzellen-Charakteristika genauer untersucht und diskutiert. Eine Untersuchung der Phasenübergänge, die während des Selenisierungsprozesses der bei niedrigen Temperaturen mittels Koverdampfung hergestellten Cu-Zn-Sn-Se-Vorläuferschichten stattfinden, wurde durchgeführt. Eine homogene Durchmischung der binären (Cu2Se, SnSe2 und ZnSe) und ternären (Cu2SnSe3) Phasen im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C konnte mittels Röntgendiffraktometrie, Raman-Spektroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen werden. Dies legt nahe, dass die Bildung des CZTSe-Absorbers über konkurrierende Reaktionen von binären (CuSe2 + SnSe2 + ZnSe → Cu2ZnSnSe4) und ternären (Cu2SnSe3 + ZnSe → Cu2ZnSnSe4) Phasen stattfindet. Die Verwendung von mehrlagigen, koverdampften Cu-Zn/Cu-Zn-Sn-Se/ZnSe/Cu-Zn-Sn-Se-Vorstufen zeigte sich vorteilhaft gegenüber den zuvor verwendeten einlagigen Vorläuferschichten, da sie die Entste-hung eines tiefenabhängigen Kompositionsgradienten begünstigt. Dies wiederum kann möglicherweise zu veränderten Reaktionspfaden bei der Bildung des CZTSe führen. CZTSe-Solarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 7,9 % bei einer VOC von 428 mV und einem Füllfaktor von 62 % konnten unter Verwendung dieses Ansatzes erzielt werden. Allerdings begrenzt der verminderte Kurzschlussstrom (29 mA/cm2) im Vergleich zum einlagigen Ansatz (37 mA/cm2) ihre Leistung. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass sich durch zusätzliches Tempern (pre-annealing) jeder einzelnen Lage der Mehrschichtsysteme einerseits die JSC in einer Größenordnung von 2 mA/cm2 verbesserte, aber andererseits VOC und FF gleich-zeitig verschlechterten. Zusätzlich führte das in-situ Tempern des gesamten Vorläufersystems zur Bil-dung einer dreilagigen Struktur bestehend aus feinkörnigen Kristalliten eingebettet zwischen größeren Körnern sowohl an der Oberfläche als auch der rückseitigen Mo-Grenzfläche. Mithilfe dieses Herstel-lungsverfahrens konnten Solarzellen mit einer VOC von bis zu 433 mV sowie mit einem Solarzellen-Wirkungsgrad von 6,8 % und einem Füllfaktor von 48 % realisiert werden. Weiterhin wurden CZTSe-Absorberschichten und daraus hergestellte Solarzellen auf der Basis von koverdampften, metallischen (Cu-Zn-Sn) Vorläuferschichten produziert und analysiert. Die Bildung metallischer Legierungen sowie der Einfluss der entsprechenden Temperatur auf die Absorber- und Solarzelleneigenschaften wurden untersucht. Aus den verschiedenen Vorläufern (legiert bei Temperaturen von 250 °C bis 350 °C) hergestellte CZTSe-Schichten wiesen verglichen mit den nicht legierten CZTSe-Absorbern größere Kristallite sowie eine MoSe2-Schicht mit einer Dicke von 1200 nm auf. Im Hinblick auf die Solarzellen-Leistungsdaten zeigte sich bei Verwendung einer Temperatur von 300 °C während des Legierungsprozesses eine Verbesserung des Wirkungsgrades (von durchschnittlich 4,4 % für eine Tempe-ratur von 250 °C hin zu 7,0% im Mittel bei 300 °C), die hauptsächlich auf eine Steigerung der VOC und des Füllfaktors zurückzuführen ist. Bei Temperaturen oberhalb von 300 °C zeigten sich die erzielten Solarzellen-Wirkungsgrade sowie VOC und Füllfaktor jedoch deutlich vermindert. Darüber hinaus wurde eine temperaturabhängige Untersuchung des Entstehungsprozesses des CZTSe-Absorbers während der Selenisierung der koverdampften, legierten Cu-Zn-Sn-Vorläuferschichten durch-geführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die Bildung des CZTSe-Absorbers über konkurrierende Reaktionen von binären (CuSe2 + SnSe2 + ZnSe → Cu2ZnSnSe4) und ternären (Cu2SnSe3 + ZnSe → Cu2ZnSnSe4) Phasen vonstatten geht. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Rate von Veränderungen in der Morphologie im Vergleich zu den Se-haltigen Vorläuferschichten vergleichsweise gering ausfällt. Aller-dings induziert der Einbau von Ag an der Rückseite der Cu-Zn-Sn-Vorstufe eine beschleunigte Bildung (verglichen mit Ag-freien Vorläuferschichten) von großen Kristalliten in einem frühen Stadium. Dies ließ sich der Entstehung einer flüssigen Silberselenid (Ag–Se)-Phase zuschreiben. Detaillierte Studien deuteten darauf hin, dass die Korngrößen innerhalb des Absorbers mit steigender Dicke der Ag-Schicht anwachsen. Mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) aufgenommene Tiefenprofile der Komposition zeigen eine verhältnismäßig homogene Verteilung von Cu, Zn, Sn, Se und Ag über die gesamte Dicke der Absorberschicht hinweg. Darüber hinaus verbesserte sich der Solarzellen-Wirkungsgrad von 6,9 % im Fall ohne zusätzliches Ag auf 7,6 % bei Verwendung einer zusätzlichen 10 nm dicken Ag-Schicht an der Rückseite der Cu-Zn-Sn-Vorläuferschicht, was sich auf eine Verbesserung der VOC sowie des Füllfaktors zurückführen ließ. Eine noch dickere Ag-Schicht verschlechterte hingegen den Solarzellen-Wirkungsgrad aufgrund eines erhöhten Serienwiderstands, was sowohl Füllfaktor als auch JSC der Solarzellen signifikant beeinflusste. Temperaturabhängige elektrische Messungen legen nahe, dass der Einbau von Ag zu zusätzlichen Defekten führt, die die Rekombination an Grenzflächen begünstigen. Dementsprechend ergaben die hier durchgeführten Untersuchungen, dass sich eine geringe Menge von zusätzlich eingebautem Ag als vorteilhaft für die Entstehung von großen Kristalliten und eine Verbesserung des Wirkungsgrads der hergestellten Solarzellen erweist. Die erzielten Ergebnisse und Analysen zeigen, dass der Wachstumsprozess des CZTSe-Absorbers sowie die Eigenschaften der entsprechenden Solarzellen stark von der Komposition und Konfiguration der Vorläuferschichten abhängen. Dennoch ist der Einsatz koverdampfter, mehrlagiger Vorstufen von großem Interesse, da sie im Vergleich zu homogenen Vorläufern insgesamt zu einer Verbesserung sowohl der VOC als auch teilweise des Füllfaktors führten. Die weiterführende Optimierung der Selenisierungspa-rameter (z.B. die Se-Menge im Graphitbehälter, die Selenisierungstemperatur und–zeit) in Kombination mit einem Ag-Einbau kann möglicherweise zu einer weiteren Steigerung der Solarzellen-Wirkungsgrade führen

Einfluss von polarisiertem Licht auf Insekten und ihr Eiablageverhalten in der Landwirtschaft

Linear polarisiertes Licht ist eine entscheidende visuelle Information für wassersuchende Insekten. Normalerweise wird die Sonneneinstrahlung an einer Wasseroberfläche polarisiert reflektiert und das Wasser wird damit als solches erkannt. Heute sind jedoch immer mehr künstliche Flächen anthropogenen Ursprungs zu finden, welche diese Eigenschaften beim Reflektieren aufweisen. Dies kann bei Insekten zu einer tödlichen Fehlentscheidung führen. In der Landwirtschaft werden zum Beispiel Bändchengewebe aus Polypropylen verwendet, welche entsprechende Eigenschaften aufweisen. Ein Kürbisfeld in Bütschwil im Berner Seeland, sowie eines in Steffisburg bei Thun mit entsprechender Bewirtschaftung, dienten als Untersuchungsflächen für Feldbeobachtungen. Mit dem Fokus auf Libellen (Odonata) wurden über die Saison 2019 mehrere Begehungen gemacht und das Verhalten der Libellen sowie deren Artzugehörigkeit aufgenommen. Weiter wird ein theoretischer Hintergrund zu den gefundenen Libellenarten sowie der Polarisierung von Licht gegeben. Zusätzlich wurden Messungen zu verschiedenen Bändchengewebeprodukten bezüglich ihrer Polarisationseigenschaften durchgeführt und weitere mögliche Quellen für linear polarisiertes Licht recherchiert. Auf beiden Untersuchungsflächen konnten diverse Libellen mit artspezifischem Verhalten beobachtet werden, wie sie es typischerweise an deren Fortpflanzungsgewässern zeigen. Messungen an den Bändchengeweben, welche auf den Feldern eingesetzt wurden, ergaben sehr ähnliche Reflexionseigenschaften wie jene an Wasseroberflächen und einzig ein weisses Fabrikat wies nur eine sehr geringe polarisierende Wirkung auf. Zudem zeigten Recherchen viele weitere mögliche Quellen polarisierten Lichts auf, wovon einige vorgestellt und mögliche Lösungsansätze diskutiert werden. Es werden weitere Untersuchungsansätze empfohlen und ein Vorschlag zum Einbringen des Themas in das Studium für Umweltingenieurwesen an der ZHAW unterbreitet

Engineering metal oxides for UV-stable perovskite solar cells

This thesis is a study of the role of the metal oxide electron transporting material in perovskite solar cells. The central research question is how the metal oxide influences the stability of perovskite solar cells and how the metal oxide can be modified to improve the stability. The thesis begins by providing four background chapters. Chapter 1 explains the need for solar energy and what perovskite solar cells can contribute to a clean energy future. Chapter 2 covers the working principles of solar cells, whereas Chapter 3 provides more detail about the history and architecture of the perovskite solar cell. Chapter 4 introduces the concept of nanostructuring metal oxides, using a block-copolymer template. The key experimental techniques and methods used throughout this work are described in Chapter 5. These introductory sections serve as the foundation for the four major experimental chapters of the thesis. Chapter 6 reports on the use of neodymium doped TiO2 in perovskite solar cells. Chapter 7 and Chapter 8 aim to increase the efficiency of SnO2 based perovskite solar cells, by making use of a novel electrode material and doping SnO2 with gallium. Chapter 9 covers the spontaneous coalescence of perovskite crystals, highlighting the extraordinary properties of perovskites.Diese Arbeit untersucht die Anwendung von Metalloxiden als Elektronentransportmaterial in Perowskit-Solarzellen. Die zentrale Forschungsfrage ist, wie Metalloxide die Stabilität von Perowskit-Solarzellen beeinflussen und wie Metalloxide, beispielsweise durch gezielte Dotierung, modifiziert werden können, um die Stabilität von Solarzellen zu verbessern. Die Arbeit beginnt mit vier einleitenden Hintergrundkapiteln. Kapitel 1 erklärt die zunehmende Notwendigkeit von Solarenergie und den Beitrag von Perowskit- Solarzellen zu einer sauberen Energiezukunft. Kapitel 2 stellt die Arbeitsprinzipien von Solarzellen vor, während Kapitel 3 mehr Details über die Geschichte und den Aufbau von Perowskit-Solarzellen enthält. Kapitel 4 leitet insbesondere das Konzept der Nanostrukturierung von Metalloxiden unter Verwendung einer Blockcopolymerschablone ein. Die für diese Arbeit benutzten experimentellen Methoden werden ausführlich in Kapitel 5 beschrieben. Diese einleitenden Kapitel dienen als Grundlage für die vier experimentellen Hauptkapitel dieser Arbeit. Kapitel 6 beschreibt die Verwendung von Neodymdotiertem TiO2 in Perowskit-Solarzellen und den Einfluss der Dotierung auf den Wirkungsgrad. Kapitel 7 und Kapitel 8 zielen darauf ab den Wirkungsgrad SnO2-basierter Perowskit-Solarzellen zu steigern, indem einerseits ein neuartiges Elektrodenmaterial verwendet wird und anderseits SnO2 mit Gallium dotiert wird. Kapitel 9 beschreibt die spontane Koaleszenz von kollidalen Perowskit-Kristallen, eine der aussergewöhnlichen Eigenschaften von Perowskitmaterialien