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

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$_2$) 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 %$_\text{rel}$ and 43.0 %$_\text{rel}$ 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

High‐efficiency perovskite‐based solar cells can be fabricated via either solution‐processing or vacuum‐based thin‐film 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 half‐stacks of the perovskite solar cell is presented in this work. By laminating the two half‐stacks at an elevated temperature (≈90 °C) and pressure (≈50 MPa), the polycrystalline perovskite thin‐film 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 long‐term and high‐temperature 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 ∼7% (relative) compared to planar references. Perovskite/c-Si tandem devices with nanostructured ITO exhibit enhanced short-circuit current density (2.9 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 ∼10% (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, 12.25 cm2; 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, 0.1 cm2), 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