The efficiency of single junction solar cells is intrinsically limited and high efficiency multi junctions are not cost effective yet. Now, semi transparent perovskite solar cells suggest that low cost multi junctions could be within reac

Albrecht, S.

Rech, B.

Nature Energy

Steve Albrecht

Bernd Rech

Crossref

Perovskite solar cells: On top of commercial photovoltaics

HZB Repository

Perovskite solar cells                    Status: accepted, in press On top of commercial photovoltaics  Steve Albrecht and Bernd Rech* *bernd.rech@helmholtz‐berlin.de Helmholtz‐Zentrum Berlin für Materialien und Energie The efficiency of single junction solar cells is intrinsically limited and high efficiency multijunctions are not cost effective yet. Now, semi‐transparent perovskite solar cells suggest that low cost multijunctions could be within reach. In  recent  years  the  power  conversion  efficiency  of  solar  cells  based  on  metal  halide  perovskite materials was tremendously enhanced to over 22%1,2 due to the outstanding optoelectronic properties of these semiconductors such as methylammonium  lead  iodide.  In addition, the ease of fabrication when utilizing perovskites paves the way towards very low production costs. Furthermore, the optical band‐gap can be tuned by proper choice of composition2, making this material highly interesting as a partner for Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) or crystalline silicon (c‐Si) in multijunction solar cells, where each sub‐cell absorbs a different portion of the solar spectrum. However, to make efficient multijunction solar cells, the top‐cell should ideally leave the rest of the solar spectrum untouched (see Figure 1a). Now writing  in Nature Energy,  Fan Fu, Stephan Buecheler and  colleagues3,  from  Swiss Federal  Labs  for Materials Science and Technology (EMPA), report a highly  infrared‐transparent perovskite solar cell with an outstanding average  transmission of over 80% between 800 and 1200 nm  together with a remarkable power conversion efficiency of over 16%. This constitutes a crucial step forward to the realization of this fascinating tandem technology.  In the tandem configuration, the perovskite top cell uses the visible part of the sun light and converts it at a high voltage, while the  infrared  light  is transmitted to the partner bottom cell, here CIGS or CuInSe2  (CIS)  (see  Figure  1a,b).  The  high  transmission  in  the  IR  regime  is  essential  to  allow  high photocurrent  generation  in  the  bottom  cell.  Thus  the  efficiency  potential  of  the  tandem  design surpasses the efficiency limit of single junction solar cells. Figure 2 presents the theoretical maximum efficiency of ~33% for single junction solar cells, based on thermodynamic considerations, called the Shockley‐Queisser or radiative  limit.  It also presents an extension of  the Shockley‐Queisser  limit  to multijunction solar cells. However, tandem solar cells have a radiative limit of ~44%, triple junctions of ~50% and an infinite stack of junctions can achieve 65% in the limit. Fabricating a highly transparent perovskite top‐cell is challenging: it requires processing a transparent conducting  contact  (e.g.  a  transparent  conductive  oxide,  TCO)  without  damaging  the  underlying sensitive perovskite or organic  charge  selective  layers.  The  researchers  from  EMPA protected  the perovskite  layer stack with a thin  layer of zinc oxide nanoparticles, avoiding direct exposure of the perovskite to harsh conditions during the sputter deposition of the top‐contact TCO. Additionally, the researchers use hydrogen doped indium oxide (In2O3:H), an emerging TCO material that provides both a  high  optical  transmission  and  a  high  electrical  conductivity.4  The  successful  combination  of  the semitransparent perovskite top cell with CIGS and CIS bottom cells yields record 4‐terminal tandem efficiencies of 22.1% and 20.9% respectively. Remarkably, the efficiency of tandem cells surpasses that of the standalone CIGS or CIS cells by 2.9% and 4.8% respectively, in absolute value.           Figure 1: Perovskite/CIGS tandem devices.  a) Schematic representation of the perovskite/CIGS tandem design with the perovskite top cell absorbing only the visible part of the incident sun‐light leaving the near infrared for the CIGS/CIS bottom cell. b) Tandem cell external quantum efficiency (EQE). The EQEs of the  individual sub‐cells and the sum of both compared to a standalone CIS solar cell are shown. Panel b is adapted from ref. 3, NPG.   Figure 2: Achieved and predicted efficiency evolution  for  single and multijunction  solar  cells. Also shown are the predicted evolutions for single‐, tandem‐ and triple junction modules.  Brown symbols indicate the efficiency of lab‐based champion solar cells for c‐Si (squares), CIGS (stars) and perovskite (circles)  single  junctions,  taken  from NREL1,  together with  recent  records  for  c‐Si5  and CIGS6. Red symbols  for  perovskite/c‐Si7‐11  (squares)  and  perovskite/CIGS3,12,13  (stars)  are  based  on  recent publications. Predictions for the efficiency range of single junctions modules are represented by the brown  colored  area  based  on  the  ITRPV14  roadmap  for  c‐Si  mono‐  and  multicrystalline  modules (dashed brown lines) and the white paper for CIGS15 roadmap (solid brown line). The different module technologies, in red and blue colored areas, merge the values extracted from the Agora16 study for the year 2050. Fu,  Buecheler  and  colleagues’  reported  progress  on  semitransparent  perovskite  solar  cells  sets  a benchmark for the future development of low cost, highly efficient multijunction modules, which we predict will overcome single junction technologies in the next decades, see Figure 2. The high potential of  tandem  modules  was  recently  shown  by  achieving  17.8%  power  conversion  efficiency  for  a perovskite/CIGS mini module17. In 2015 more than 90 % of the global PV world market was dominated by solar modules based on crystalline silicon wafers showing efficiencies between 15 % and 20 % on the module level (typically 1.6 m²)14. According to most established roadmaps,14 this dominance will be maintained while production cost will continuously decrease and module efficiencies will increase. However, the efficiency of solely silicon‐based PV is fundamentally limited by the Shockley‐Queisser limit to 32‐33 %, and is limited in practice to slightly below 30 % due to Auger recombinations18. The efficiency of fully encapsulated solar modules is a few percent lower than that of individual cells due to spacings between the  individual cells for cell  interconnects and an  isolated boundary area at the outer edges required for encapsulation and thus long term stability. Note that all single‐junction solar cell  and  modules  are  capped  by  similar  limits.  However,  higher  module  efficiencies  could disproportionally reduce the costs of PV electricity generation by two means: First, module costs are largely  determined  by  non‐semiconductor  related  materials  costs  like  cover  glass,  encapsulation, framing,  and  junction  boxes;  second,  on  the  system  level,  higher  module  efficiencies  reduce installation and transport costs as well as area use.  Tandem and  triple‐junction  solar  cells  are  the most  viable and proven approach  to overcome  the limitations  of  single  junction  technologies  as  already  demonstrated  by  III‐V  semiconductor combinations.  However,  current  III‐V  semiconductor  technology  is  still  far  away  from  being  cost effective for large‐scale, flat‐panel PV applications. Fu, Buecheler and colleagues show that perovskite solar cells can be implemented as a drop‐in technology on top of Si and/or CIGS solar cells and could speed  up  the  development  of  PV  to  become  the  cheapest  and most  ubiquitously  applied  energy source. The race for record efficiencies has only started very recently with the first perovskite/silicon and  perovskite/CIGS  tandem  cells  published  in  201513.  In  future  developments,  this  race  has  to overcome the obstacles of large scale processing, long term stability2 under environmental conditions and compatibility with system requirements such as high system voltages – and life cycle assessments have to prove feasibility for the whole production, application and disposal circle.    (1)  http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg, accessed November 16, 2016.   (2)  Saliba, M.; Matsui, T.; Domanski, K.; Seo, J.‐Y.; Ummadisingu, A.; Zakeeruddin, S. M.; Correa‐Baena, J.‐P.; Tress, W. R.; Abate, A.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M. Science 354, 206‐209 (2016).   (3)  Fu, F. Nature Energy, xx, xx (2016).   (4)  Takashi, K.; Hiroyuki, F.; Michio, K. Japanese Journal of Applied Physics 46, L685 (2007).   (5)  http://www.kaneka.co.jp/kaneka‐e/images/topics/1473811995/1473811995_101.pdf, accessed November 21, 2016.   (6)  https://www.zsw‐bw.de/fileadmin/user_upload/PDFs/Pressemitteilungen/2016/pr09‐2016‐ZSW‐WorldRecordCIGS.pdf, accessed November 21, 2016.   (7)  Albrecht, S.; Saliba, M.; Baena, J. P. C.; Lang, F.; Kegelmann, L.; Mews, M.; Steier, L.; Abate, A.; Rappich, J.; Korte, L. Energy & Environmental Science, 9, 81‐88 (2016).   (8)  Chen, B.; Bai, Y.; Yu, Z.; Li, T.; Zheng, X.; Dong, Q.; Shen, L.; Boccard, M.; Gruverman, A.; Holman, Z.; Huang, J. Advanced Energy Materials 6, 1601128 (2016).   (9)  Werner, J.; Barraud, L.; Walter, A.; Bräuninger, M.; Sahli, F.; Sacchetto, D.; Tétreault, N.; Paviet‐Salomon, B.; Moon, S.‐J.; Allebé, C.; Despeisse, M.; Nicolay, S.; De Wolf, S.; Niesen, B.; Ballif, C. ACS Energy Letters 1, 474‐480 (2016).   (10)  Werner, J.; Weng, C. H.; Walter, A.; Fesquet, L.; Seif, J. P.; De Wolf, S.; Niesen, B.; Ballif, C. J Phys Chem Lett, 7, 161‐166 (2016).   (11)  http://web.stanford.edu/group/mcgehee/research.html  accessed November 16, 2016.   (12)  Fu, F.; Feurer, T.;  Jager, T.; Avancini, E.; Bissig, B.; Yoon, S.; Buecheler, S.; Tiwari, A. N. Nat Commun, 6, 8932 (2015).   (13)  Kranz, L.; Abate, A.; Feurer, T.; Fu, F.; Avancini, E.; Löckinger, J.; Reinhard, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Buecheler, S.; Tiwari, A. N. The  Journal of Physical Chemistry Letters, 6, 2676‐2681 (2015).   (14)  http://www.itrpv.net/Reports/Downloads/, accessed November 16, 2016.   (15)  http://cigs‐pv.net/download/, accessed November 16, 2016.   (16)http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Publikationen/Materialien/ESYS_Technologiesteckbrief_Photovoltaik.pdf,  accessed  November  16, 2016.   (17)  http://www.kit.edu/kit/english/pi_2016_133_record‐for‐perovskite‐cigs‐tandem‐solar‐module.php, accessed November 21, 2016. (18)  Swanson, R. M. In Photovoltaic Specialists Conference, 2005. Conference Record of the Thirty‐first IEEE 2005, p 889   

On top of commercial photovoltaics

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/oai_publication?VT=1&ID=92352

On top of commercial photovoltaics

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Crossref

HZB Repository