Advanced light management concepts for perovskite photovoltaics
Creators: name: Schmager, Raphael
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Um die rasante Zunahme der Treibhausgasemission zu bremsen und damit die globale Erderwärmung, ist ein schneller Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien unabdingbar. In dieser Hinsicht spielt die Photovoltaik (PV) eine entscheidende Rolle, um eine effiziente Dekarbonisierung der globalen Stromerzeugung voranzutreiben. Dafür wird gegenwärtig sowohl an bestehender Silizium-PV, als auch an neuen PV-Technologien geforscht. Der prominenteste Kandidat unter den neuen Technologien sind die Perowskit-Solarzellen. Diese haben in den letzten 10 Jahren eine beispiellose Effizienzsteigerung durchlaufen und erzielen heute Rekordwirkungsgrade über 25%. Die rasche Entwicklung der Perowskit-basierten PV ist vor allem durch das Versprechen einer kostengünstigen, effizienten und skalierbaren Technologie motiviert. Sie gilt zum einen als Konkurrenz zur bestehenden Silizium-PV und zum anderen als Partner für die Anwendung in Perowskit/Silizium Tandem-PV. In dieser Hinsicht bietet die Perowskit-basierte Tandem-PV die Aussicht, den derzeitigen Rekordwirkungsgrad von Silizium (c-Si) Solarzellen (≈27%) und sogar die Shockley-Queisser-Grenze für Einfachsolarzellen (≈34%) zu übertreffen. Eine verbleibende Herausforderung, sowie ein aktuell stark untersuchtes Forschungsthema von Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen, ist ihre geringere Lichtausbeute im Vergleich zu konventionellen c-Si Solarzellen. Dies ist insbesondere auf zusätzlich erforderliche Funktionsschichten, wie die transparenten Elektroden, Ladungstransportschichten und Passivierungsschichten zurückzuführen, die gemeinsam zu Reflexionsverlusten und Verlusten durch parasitäre Absorption beitragen. Dies reduziert sowohl den Wirkungsgrad (PCE) als auch den Energieertrag (EY) der Tandem-Solarzelle. Um Reflexions- und Absorptionsverluste zu minimieren, ist ein fortschrittliches Lichtmanagement unerlässlich. Da sich die realistischen Einstrahlungsbedingungen stark von typischen Standardtestbedingungen unterscheiden (z.B. spektrale Variation und variabler Einfallswinkel des Sonnenlichts), ist es zwingend notwendig, PV-Module nicht nur für den PCE, sondern auch für den EY zu optimieren. Daher ist ein ausgeklügeltes Lichtmanagement nicht nur auf Tandem-Solarmodule beschränkt, sondern für jede Art von Solarmodul wichtig. In dieser Arbeit werden verschiedene Lichtmanagementkonzepte für die Perowskit-basierte-PV diskutiert und in Bezug auf den PCE und den jährlichen EY bewertet. In diesem Zusammenhang werden Mikrotexturen für eine verbesserte Lichteinkopplung an der Luft/Glas-Grenzfläche untersucht, was für alle PV-Technologien relevant ist. Die Mikrotexturen an der Vorderseite des Solarmoduls bieten die Möglichkeit, die Luft/Glas-Reflexion fast vollständig zu eliminieren und bei schrägen Einfallswinkeln (z.B. 80°) um ca. 80%rel zu reduzieren. Die experimentelle Realisierung zeigt die Erhöhung des PCE um 12%rel bzw. 5%rel für planare und texturierte Siliziumsolarzellen. Darüber hinaus werden Mikrotexturen auf Perowskit/c-Si-Tandem-Minimodulen realisiert, die den PCE um 10%rel verbessern. Aufgrund der ausgezeichneten Winkelstabilität der Mikrotexturen spiegelt sich die Verbesserung des PCE auch im EY wider, was durch Simulationen gezeigt wird, bei denen die Verbesserungen im EY die des PCE um 2%rel übertreffen. Zusätzlich zur ersten Grenzfläche jedes Solarmoduls werden die Reflexionsverluste an den vorderen halbtransparenten Indiumzinnoxid (ITO) Elektroden der Perowskit-Solarzellen untersucht. Mit Hilfe von nanotexturierten Glas/ITO-Grenzflächen können diese Verluste minimiert werden, was zu einem verbesserten Strom in der oberen Perowskit- und unteren c-Si-Solarzelle führt. Dies verbessert den Tandem-PCE um 2%rel. Darüber hinaus sind die nanotexturierten Elektroden winkelstabil und versprechen in den Simulationen eine Erhöhung des EY um 10%rel, was höher ist als die simulierte Verbesserung des PCE um 9%rel. Weitere nanophotonische Modifikationen der Absorberschicht der Perowskit-Solarzelle führen zu einer verbesserten Absorption in der Nähe der Bandlücke, indem das einfallende Licht in quasi-geführte Moden eingekoppelt wird. Simulationen zeigen, dass dies die Stromerzeugung in den Perowskit-Solarzellen um bis zu 6%rel verbessert. Erste experimentelle Ergebnisse demonstrieren eine Verbesserung um 2%rel. Darüber hinaus bieten die nanophotonischen Perowskit-Solarzellen eine einfache Möglichkeit, den um-weltschädlichen Bleigehalt in den Perowskit-Solarzellen bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, um 30%rel zu verringern. Darüber hinaus verändert die nanophotonische Modifikation des Absorbers die Winkelabhängigkeit der Perowskit-Solarzellen nicht und führt zu den äquivalenten Verbesserungen des EY. Schließlich wird ein neuartiges Herstellungsverfahren für Perowskit-Solarzellen vorgestellt, dass eine einfache Laminierung der Perowskit-Solarzellen ermöglicht. Damit umgeht die Laminierung Inkompatibilitäten bei konventionellen Schichtabscheidungs-techniken und bietet somit mehr Flexibilität und Freiheit bei der Wahl der Ladungstransportmaterialien für die Perowskit-Solarzellenherstellung. Erste Prototypen zeigen eine ausgezeichnete Langzeit- und Temperaturstabilität der laminierten Perowskit-Solarzellen mit einem PCE über 14%. Das vorgestellte Laminierungskonzept bahnt damit den Weg für eine direkte Laminierung von Perowskit-Solarzellen auf die bestehende Siliziumtechnologie und hat so ein großes Potential für die aktuelle Perowskit-basierte Tandemforschung.