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Eliminating interface losses in Perovskite single junctions for efficient tandem solar cells
Al-Ashouri, Amran
Perovskite-based tandem solar cells have the potential to surpass single junction efficiency limits at low costs and to further spur the expansion of solar energy. This thesis deals with the optimization of tandem-relevant perovskite solar cells (PSCs), by mitigation of interfacial power losses between perovskite and charge-selective layers. A key theme in this work is the establishment of hole-selective self-assembled monolayers (SAMs), which can functionalize oxide surfaces in a self-limiting process with precise control. This enabled a simple and robust PSC structure with power conversion efficiencies of over 21% with single junction cells, over 24% with perovskite/CIGSe tandem solar cells and over 29% with perovskite/silicon tandem solar cells. It furthermore enabled studies on device-relevant model systems to gain understanding about optimal charge-selective layer design, characterization of charge extraction and stability enhancement. The gains in efficiency were rationalized by photoluminescence studies, both with absolute calibration for quantifying the voltage gains at the interfaces and with time resolution to investigate the charge carrier dynamics. By employing a combination of photoluminescence, solar cell characteristics and measurements of the energetic alignment between hole-selective layer and perovskite, we identified the energetic offset between the hole-accepting energy level of the SAM and the perovskite valence band maximum as the critical parameter that determined the open-circuit voltage (𝑉oc) of the solar cell.
One of the studied SAMs, a carbazole unit attached to ethylphosphonic acid (2PACz), has shown optimal energetic alignment and minimal non-radiative recombination losses, rendering a “lossless” interface and enabling a 𝑉oc of 1.19 V at 1.63 eV bandgap, without interlayers, dopants or additives. By using the SAM on rough CIGSe as hole-selective layer for the perovskite top cell, we have shown a certified 23.3%-efficient, monolithic perovskite/CIGSe tandem solar cell with 1 cm2 active area, which surpassed the previous record in size and efficiency (22.4% on 0.04 cm2), demonstrating how SAMs can simplify cell fabrication. Further optimization with a focus on the fill factor, the only parameter where best perovskite solar cells still lack behind mature solar cell technologies, led to the finding that a methyl-substituted carbazole-based SAM (Me-4PACz) considerably enhanced the hole-extraction speed and thus the fill factor (up to 84%), while keeping the high 𝑉oc feature of 2PACz. By combining transient photoluminescence with photoconductivity measurements and solar cell data, we identified that the hole-selective interface was limiting the fill factor in p-i-n PSCs. Integrating Me-4PACz into perovskite/silicon tandem solar cells led to a certified record efficiency of 29.15% and to a cell retaining 95.5% of its initial efficiency after 300 h under continuous operation in ambient air. The results helped progressing perovskite tandem photovoltaics and might lay guides for future endeavors of industrial entry.
Perowskit-basierte Tandemsolarzellen bergen das Potenzial, Einzelsolarzell-Effizienzen zu übertreffen und die Nutzung von Solarenergie auszuweiten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung von Tandem-relevanten Perowskitsolarzellen (PSZn) durch Reduktion von Leistungsverlusten an den Grenzflächen zwischen Perowskitschicht und den ladungsselektiven Schichten. Ein Hauptmotiv dieser Arbeit ist die Etablierung von Loch-selektiven selbstorganisierten Monolagen (SAMs), die Oxidschichten selbstständig funktionalisieren können. Dies ermöglichte eine einfache und robuste PSZ-Struktur mit Leistungsumwandlungseffizienzen (PCEs) von über 21% mit Einzelsolarzellen, >24% mit Perowskit/CIGSe Tandemsolarzellen und >29% mit Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Außerdem ermöglichte es Solarzell-relevante Modellsysteme für einen Verständnisgewinn über optimales Design von ladungsselektiven Schichten, Ladungsträgerextraktion und Erhöhung der Stabilität. Die Effizienzgewinne wurden mit Photolumineszenz-Studien erklärt, sowohl mit absoluter Kalibrierung zur Quantifizierung von Spannungsgewinnen an den Grenzflächen, als auch mit Zeitauflösung, um die Ladungsträgerdynamik genauer zu untersuchen. Mit einer Kombination von Photolumineszenz, Solarzell-Eigenschaften und der Messung von Energieniveaus wurde die Ausrichtung zwischen Loch-selektiver Schicht und der Perowskit-Valenzbandkante als entscheidender Parameter für die Leerlaufspannung (Voc) der Solarzelle identifiziert.
Einer der untersuchten SAMs, eine Carbazol-Einheit verbunden mit Ethanphosphonsäure (2PACz), zeigte optimale energetische Ausrichtung und minimale nichtstrahlende Verluste, was eine "verlustfreie" Grenzfläche ermöglichte und zu hohen Voc-Werten von bis zu 1,19 V bei 1,63 eV-Bandlücke führte, ohne Zwischenschichten, Dotierung oder Additiven. Durch einen SAM auf rauer CIGSe-Oberfläche als Loch-selektive Schicht für die Perowskit-Topzelle, wurde eine monolithische Perowskit/CIGSe Tandemzelle realisiert mit zertifizierter Effizienz von 23,3% auf einer Fläche von 1 cm2, was den vorigen Rekord in Fläche und Effizienz übertraf (22,4% auf 0,04 cm2). Weitere Optimierung mit Fokus auf den Füllfaktor der Solarzellen, den einzigen Parameter bei dem beste PSZn noch nicht die Werte von ausgereiften Solarzell-Technologien erreicht haben, führte zu der Erkenntnis, dass eine Methyl-substituierte Carbazol-SAM (Me-4PACz) die Loch-Extraktion deutlich beschleunigte und damit den Füllfaktor erhöhte (bis auf 84\%), unter Beibehaltung der hohen Voc von 2PACz. Durch transiente Photolumineszenz, Photo-Leitfähigkeitsmessungen und Solarzell-Daten ergab sich, dass die Loch-selektive Grenzfläche in p-i-n PSZn den Füllfaktor limitierte. Der Einsatz von Me-4PACz in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen führte zu einer zertifizierten Rekordeffizienz von 29,15% und zu einer Zelle, die 95,5% ihrer Initialeffizienz nach 300\,h unter dauerhaftem Betrieb an Luft behielt.
