Spitzenleistung einer Zwei-Schicht-Perowskit/Silizium-Tandemzelle

Eine Forschergruppe um Florent Sahli von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Polytechnische Hochschule – EPFL) hat am 11.06.2018 in nature materials einen Perowskit-Tandemsolarzellen-Weltrekord, vor allem seine Herstellung, beschrieben. Er betrug 25,2 %, hielt aber nur 11 Tage. Aktuell beträgt er 27,3 %. Die Wissenschaftler hoffen, bald die 30-Prozentmarke zu übertreffen. Damit würde das theoretisch erreichbare Maximum reiner Siliziumzellen von rund 29 % übertroffen – deren aktueller Weltrekord liegt bei gut 26 Prozent.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ergibt sich durch Division der Einstrahlungsenergie durch die abgegebene Energie. Dieser Quotient (dargestellt mit dem griechischen Zeichen ?) gibt den Wirkungsgrad in Prozent an. In der Photovoltaik werden zwar immer neue Rekorde im Wirkungsgrad von Solarzellen erreicht, meist handelt es sich dabei aber um im Labor erzielte Werte. Bei den in Serie produzierten Solarzellen ergeben sich deutlich niedrigere Wirkungsgrade. Immer wird der Wirkungsgrad unter den Standard Test Conditions ermittelt: 1000 Watt Einstrahlung, 25 Grad Zelltemperatur und einer Air Mass von 1,5. Der maximaler Modulwirkungsgrad rührt daher, dass jede Substanz nur bestimmte Lichtwellenlängen verarbeiten kann. Für monokristalline Siliziummodule ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad – abhängig von der Einstrahlungsintensität – dadurch auf etwa 29,5 Prozent beschränkt.
(Nach: photovoltaik.org/photovoltaik-wirkungsgrad)

Tandemzellen, die Perowskit- und Silizium-Solarzellen kombinieren, sind vielversprechende Kandidaten, um bei vertretbaren Kosten einen Wirkungsgrad von mehr als 30 % zu erreichen. Modernste monolithische Zwei-Schicht-Perowskit/Silizium-Tandemzellen verfügen bisher über Silizium-Bottomzellen, die auf ihrer Vorderseite poliert sind, um mit dem Perowskit-Herstellungsprozess kompatibel zu sein. Diese Maßnahme führt zu höheren potenziellen Produktionskosten, höheren Reflexionsverlusten und nicht idealen Lichtverlusten. Um dieses Problem zu lösen, haben die Autoren ein Spitzentechnologieverfahren entwickelt, welches das konforme Wachstum mehrerer Verbindungen mit kontrollierten optoelektronischen Eigenschaften direkt auf den mikrometergroßen Pyramiden aus texturiertem monokristallinem Silizium erreicht. Tandembauelemente mit einer Silizium-Heterojunctionzelle und einer nanokristallinen Silizium-Rekombinationsjunction weisen einen zertifizierten stationären Wirkungsgrad von 25,2% auf.

Ihr optisches Design ergibt dank der Silizium-Pyramidenstruktur eine Stromdichte von 19,5 mA/cm² und eröffnet den Weg für die Realisierung von 30% monolithischen Perowskit/Silizium-Tandem-Bauelementen auf voll texturierten monokristallinen Si-Bottomzellen wegen ihrer mikrometergroßen c-Si-Pyramiden. Obwohl verschiedene Fabrikationsprototypen auf Basis physikalischer und chemischer Gasphasenabscheidung entwickelt wurden, einschließlich hybrider sequenzieller Rezepturen, welche die thermische Verdampfung des Pb-haltigen Vorläufers mit anschließender Spin-Beschichtung der Organohalogenid-Verbindungen kombinieren, sind Perowskit-Zellen, die auf texturierten c-Si-Bottomzellen abgeschieden wurden, noch nicht bekannt.

Folgt: Neu: Hybrides zweistufiges Abscheidungsverfahren

Neu: Hybrides zweistufiges Abscheidungsverfahren

Um das hohe Photostrom-/Effizienzpotenzial von monolithischen Zwei-Schichten-Tandem-Zellen voll auszuschöpfen, haben die Autoren ein hybrides zweistufiges Abscheidungsverfahren entwickelt, das sequenzielle Co-Verdampfung und Spin-Coating kombiniert, um konforme Perowskit-Absorberschichten auf texturierten SHJ-Bottomzellen zu erhalten. Die anderen Schichten der Perowskitzelle werden durch thermische Verdampfung, Atomschichtabscheidung und Sputterabscheidung hergestellt. Zwischen den beiden Subzellen wird eine nanokristalline Silizium-Rekombinationsjunction verwendet, die eine hohe Belastbarkeit gegenüber Shunts (Nebenwiderstände) bietet. Durch die Kombination dieser Eigenschaften zeigen sie ein voll texturiertes monolithisches Perowskit/SHJ-Tandemgerät mit einer Stromdichte von 19,5 mA/cm² und einem zertifizierten stationären Wirkungsgrad von 25,2 %.

Die Perowskitzelle wurde dann in der p-i-n-Konfiguration hinterlegt. Die Verwendung von texturierten SHJ-Bottomzellen schließt eine Lösungsverarbeitung für den Perowskit-Absorber und die trägerselektiven Schichten aus. Die Versuche, sie zu schleudern, führten zu einer Anhäufung der Materialien in den c-Si-Tälern, während die Gipfel kahl blieben. Dadurch entstanden Nebenwiderstände zwischen dem frontseitig transparenten leitfähigen Oxid und der SHJ-Bottomzelle. Um diesem Problem vorzubeugen, wurde ein alternativer Hybrid-Depositionsansatz entwickelt.

Das Perowskit wurde in einem zweistufigen Verfahren durch Co-Verdampfung eines porösen Bleiiodids (PbI2) und einer Cäsiumbromid-Schmelze (? “Template”) hergestellt, bevor eine Organohalogenidlösung (Formamidiniumiodid, FAI und Formamidiniumbromid) beschichtet wurde. Die Organohalogenidlösung drang in die Poren des PbI2/CsBr-Gerüstes ein, während der Rest der Lösung beim Schleudern aus der Unterschicht ausgestoßen wird. Dieser Effekt verhindert eine Ansammlung von Organohalogeniden, z.B. in den Pyramidentälern. Der Absorber CsxFA1?xPb(I,Br)3 wurde anschließend durch Glühen bei 150 °C in der Umgebungsluft kristallisiert. Die elektronenselektiven Schichten wurden anschließend durch thermische Verdampfung abgeschieden. Anschließend wurde eine Pufferschicht aus SnO2 durch Atomschichtabscheidung abgeschieden und Indium-Zinkoxid (IZO) auf den Stapel gesputtert, das als transparente Frontelektrode diente. Das vordere Metallgitter wurde aus verdampftem Ag hergestellt, während MgF2 als Entspiegelung fungierte. Insgesamt übersteigt dieses Top-Cell-Depositionsverfahren nicht 150 °C, was mit der Verwendung von hydrierten Silizium-Dünnschichten für die untere Zelle und den Rekombinations-Übergang kompatibel ist.

Dieses Verfahren ergab eine Perowskit-Oberzelle, welche die mikrometergroßen Si-Pyramiden vollständig bedeckte, wie die dreidimensionalen Rekonstruktionen der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und die REM-Aufnahmen bestätigten. Darüber hinaus zeigten Querschnitte der Perowskit-Oberzelle einer volltexturierten Tandemzelle, das mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) präpariert und im REM aufgenommen wurde, dass die Perowskitschicht dicht und gleichmäßig dick war.

Ausblick

Die Autoren präsentieren volltexturierte monolithische Perowskit/Silizium-Heterojunction-Tandem-Solarzellen und erreichen einen zertifizierten MPP-Wirkungsgrad von 25,2 %. Der Schlüssel zu diesem Ergebnis ist ein Top-Zellenherstellungsprozess, der keine Modifikation der texturierten c-Si-zelle erfordert und somit die Verwendung vorhandener industriell texturierter monokristalliner Si-Wafer ermöglicht. Das Verfahren liefert konforme Perowskit-, trägerselektive und Kontakt-Schichten direkt auf den mikrometergroßen c-Si-Pyramiden. Elektrische und mikrostrukturelle Charakterisierung hoch – beleuchtet die Vorteile einer nc-Si:H Rekombinationjunction gegenüber einem konventionellen TCO, vor allem bei einer thermisch verdampfbaren organischen lochselektiven Schicht. Die Anordnung der Autoren nutzt das hohe Photostrompotenzial monolithischer Tandemgeräte, um Werte von 19,5 mA cm² zu erreichen. Die pyramidenförmige Textur der SHJ-Bottomzelle reduziert direkt die primären Reflexionsverluste und verbessert die Lichtfalle im Infrarotbereich. Darüber hinaus wurde die Stabilität von Tandemzellen gegenüber Lichtdurchlässigkeit und elektrischer Vorspannung bis zu 270 Stunden überwacht. Insgesamt vereinfacht das entwickelte Tandem-Fertigungsverfahren den gesamten Prozessablauf, ermöglicht hohe Wirkungsgrade dank verbesserter Optik und ebnet den Weg zu monolithischen Perowskit/Silizium-Tandemzellen mit Wirkungsgraden von mehr als 30%.

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