Dissertation/Thesis Abstract

Investigation of Perovskite-CIGSe Tandem Solar Cells
by Wang, Yajie, Ph.D., Technische Universitaet Berlin (Germany), 2019, 127; 27605487
Abstract (Summary)

Tandemsolarzellen, d.h. photovoltaische Bauelemente mit mehreren p-n-Übergängen haben das Potential, Wirkungsgrade zu erreichen, die über der so genannten Schockley-Queisser (S-Q)-Grenze für Einzelsolarzellen liegen. Sie sind daher seit Längerem Gegenstand intensiver Forschung. Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von polykristallinen Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSe) -Absorbern und hybriden organisch-anorganischen Perowskit-Solarzellen haben Wirkungsgrade von über 22% erreicht. Die Kombination dieser Technologien eröffnet die vielversprechende Möglichkeit, die S-Q-Grenze durch die Entwicklung von Perowskit-CIGSe-Tandemsolarzellen zu übertreffen. Die Konstruktion eines monolithischen Perowskit-CIGSe-Tandembauelements ist jedoch kompliziert und erfordert ein ausgeklügeltes Design, um insbesondere die Kompatibilität zwischen der oberen Zelle und der unteren Zelle zu gewährleisten. Daneben müssen die Fragen nach einer geeigneten Rekombinationsschicht und dem spezifischen Herstellungsprozess diskutiert und gelöst werden. Um die höchste Tandemeffizienz zu erzielen, sollten zuerst die Bandlücken der oberen, dem Licht zugewandten Zelle und der unteren Zelle unter Berücksichtigung des oberen Halbleitermaterials so gewählt werden, dass in der oberen Zelle das kurzwellige und in der unteren das langwellige Licht absorbiert wird. Daher besteht ein photovoltaisches Tandem-Bauelement aus einer unteren Zelle mit einer kleineren Bandlücke und einer oberen Zelle mit einer größeren Bandlücke. Die Herstellung und Optimierung einer CIGSe-Solarzelle mit kleiner Bandlücke ist die erste zu lösende Aufgabe. Vakuumfreie und nasschemische Ansätze zur Herstellung von Chalkopyrit-Absorbern für Solarzellen bieten Optionen bei der Gerätekonstruktion und -herstellung, die mit den herkömmlichen vakuumbasierten Ansätzen nicht möglich sind. Daher wurde ein einfaches Verfahren für die CuIn(S,Se)2 - Dünnschichtherstellung entwickelt. Dabei wird eine luftstabile Tinte, die Metallchloride und Thioharnstoff in organischen Lösungsmitteln enthält, in einer Rotationsbeschichtungsanlage definiert auf geeignete Substrate aufgeschleudert. Mehrere Schlüsselparameter, die die Leistungsfähigkeit der Solarzellen direkt beeinflussen, wurden identifiziert. Letztendlich führten diese Optimierungen, die auf hohe Photoströme abzielten, zu einem Material mit einer niedrigen Bandlücke von 1,02 eV bei einem Solarzellenwirkungsgrad von 9.5%. Zweitens ist die Suche nach einem geeigneten ladungsträgerselektiven, p- dotierten Material zum Einsatz als Zwischenschicht zwischen unterer und oberer Teilzelle für die monolithischen Perowskit-CIGSe-Tandems auch ein Schlüsselfaktor. Um eine effiziente Tandemsolarzelle herzustellen, sollte diese Zwischenschicht einige Anforderungen erfüllen: Transparenz für langwelliges Licht, gute Leitfähigkeit, chemische Stabilität, die Möglichkeit zur Präparation bei niedrigen Temperaturen und geeignete Bandlagen. Die Zwischenschicht dient einerseits als Lochleiter in der oberen Perowskit-Zelle, sollte aber andererseits auch eine der Komponenten des Rekombinationsübergangs zwischen den beiden Teilzellen sein. Kupfer-(I)-oxid (Cu2O) und Kupfer-Galliumoxid (CuGaO2) können bei Raumtemperatur mit hoher Transparenz und einer geeigneten Bandstruktur, die mit dem Perowskit-Material kompatibel ist, abgeschieden werden. Ein mit einem nasschemischen Ansatz hergestelltes Cu2O wurde in Perowskit-Einzelsolarzellen mit verwendet und erzielte einen Wirkungsgrad von über 9%. p-CuGaO2 wurde bei Raumtemperatur durch Sputtern hergestellt. Mehrere Parameter wurden angepasst, um die Bandstruktur von CuGaO2-Filmen zu optimieren, um sie mit der Perowskitschicht kompatibel zu machen. Die resultierenden Ergebnisse von Cu2O- und CuGaO2-Filmen zeigten, dass sie geeignete Materialien als Lochleiter und als Komponente des intermediären Rekombinations/Tunnelübergangs monolithischer Perowskit-CIGSe-Tandemsolarzellen sein können. Drittens wurde ein Modell einer monolithischen Perowskit-CIGSe-Tandemsolarzelle mit jeweils Cu2O und CuGaO2 als Zwischenschichten entwickelt, um optische und elektrische Simulationen durchzuführen. Damit konnten die photovoltaische Leistung vorhergesagt und Rekombinationsverluste in monolithischen Tandemsolarzellen analysiert werden. Durch optische Simulation einer CuGaO2-basierten Perowskit-CIGSe-Tandemsolarzelle unter Annahme eines bestimmten Ersatzschaltbildes wurde eine maximale angepasste Stromdichte von 20,8 mA/cm2 ermittelt. Dabei wurde ein Wirkungsgrad von 30,3% mit einer Leerlaufspannung von 1,75 V und einem Füllfaktor von 0,83 errechnet.

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Advisor: Szyszka, BerndSchlatmann, Rutger
Commitee:
School: Technische Universitaet Berlin (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Physical chemistry
Keywords: Solar cells, Perovskite, CIGSe
Publication Number: 27605487
ISBN: 9781687915627
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