Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8496
Main Title: Investigation of perovskite-CIGSe tandem solar cells
Translated Title: Untersuchung von Perowskit-CIGSe-Tandem-Solarzellen
Author(s): Wang, Yajie
Advisor(s): Szyszka, Bernd
Schlatmann, Rutger
Referee(s): Szyszka, Bernd
Schlatmann, Rutger
Vermang, Bart
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Multi-junction photovoltaic devices have received much attention for a long time due to their potential performance beyond the Shockley-Queisser (S-Q) limit compared with the current (commercially available) single junction solar cells. Thin film solar cells based on polycrystalline Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSe) absorbers and hybrid organic-inorganic perovskite solar cells have reached power conversion efficiencies over 22%. Therefore, combining these technologies to overcome the S-Q limit by constructing a completely thin-film perovskite-CIGSe tandem solar cells is a promising approach. However, to construct a monolithic perovskite-CIGSe tandem device is complicated and needs a sophisticated design, especially the compatibility between the top cell and the bottom cell, the choice of the intermediate layer, the specific fabrication process. Therefore, many critical questions about the monolithic perovskite-CIGSe tandem solar cells need to be discussed and solved. First, in order to achieve the highest tandem efficiency, the band gaps of top cell and bottom cell should be adjusted in a way that the top semiconductor material or active layer absorbs the higher energy incident light and the bottom absorbs the remaining light. In principle, a tandem device consists of a bottom cell with a lower band gap and a top cell with a higher band gap. To fabricate a CIGSe solar cell with low band gap by a simple approach is the first task which needs to be investigated. Vacuum free and solution process based routes to the preparation of chalcopyrite absorbers for solar cells provide options in device design and manufacturing that are not available by the standard vacuum based approaches. Therefore, a non-vacuum, simple solution coating approach for CuIn(S,Se)2 thin film preparation was chosen. It is based on spin coating of an air stable molecular ink, containing metal chlorides and thiourea in organic solvents, and it was used to prepare low band gap bottom cells. Several key parameters directly influencing the performance of the solar cells were identified. Eventually, these optimizations aimed at high photo current led to an efficiency of 9.5% with a low band gap of 1.02 eV. Secondly, looking for a suitable p-type intermediate layer for the monolithic perovskite-CIGSe tandem solar cells is also a key factor for obtaining working tandem devices with high efficiency. In order to fabricate an efficient tandem solar cell, this intermediate layer should meet some requirements, such as transparency, good conductivity, stability, low-temperature preparation, and suitable valence and conduction band positions. Cuprous oxide (Cu2O) and copper gallium oxide (CuGaO2) can be deposited at room temperature with high transparency and an appropriate band structure compatible with the perovskite layer. A Cu2O film prepared by a wet chemical approach was applied to the single junction perovskite solar cells and achieved over 9% photoconversion efficiency. CuGaO2 as a p-type semiconductor was prepared at room temperature by sputtering to be the hole conductor in the top perovskite cell and one of components of the intermediate tunnel junction. Several parameters were adjusted to optimize the band structure of CuGaO2 films to make them compatible with the perovskite layer. The resulting properties of Cu2O and CuGaO2 films indicated that they are suitable materials as hole conductors and could qualify as one of the components of the intermediate tunnel junction of monolithic perovskite-CIGSe tandem solar cells. Thirdly, in order to predict the photovoltaic performance and analyze the recombination losses of monolithic tandem solar cells, a model of a monolithic perovskite-CIGSe tandem solar cell based on Cu2O and CuGaO2 as intermediate layers was used for optical and electrical simulations. From the optical simulation and a series of calculations of the equivalent electrical circuit of the monolithic tandem solar cells, the highest matched current of 20.8 mA/cm2 was calculated using a CuGaO2-based perovskite-CIGSe tandem device. A modeled power conversion efficiency of 30.3%, a Voc of 1.75 V and a fill factor of 0.83 were obtained.
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.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9437
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8496
Exam Date: 15-May-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 3-Jun-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): solar cells
tandem solar cells
Perovskite-CIGSe
p-type semiconductor
intermediate layer
Solarzellen
Tandemsolarzellen
Perowskit-CIGSe
p-dotiertes Material
Zwischenschicht
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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