Cloaked contact grids for perovskite-silicon tandem solar modules
Creators: name: Langenhorst, Malte
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: cloaked contact grids
perovskite-based tandem photovoltaics
light management
energy yield modelling

description: Photovoltaik (PV) spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation des globalen Energiesystems von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energiequellen, die ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Zukunft des Planeten Erde ist. Eine solche Transformation wird jedoch hauptsächlich durch die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit einer Technologie getrieben, für die die Stromgestehungskosten ein entscheidender Faktor sind. In den letzten Jahren sind die Preise für Solarmodule drastisch gesunken, so dass die weitere Steigerung des Wirkungsgrades (PCE) und des Energieertrags (EY) von PV-Anlagen von zunehmender Bedeutung ist, um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der PV zu verbessern. Einer der limitierenden Faktoren moderner Solarmodule ist die Verlustleistung aufgrund inaktiver Flächen, die zur Minimierung der resistiven Verluste während des Ladungstransports über die großen Abmessungen eines Solarmoduls erforderlich sind. Optische Tarnkonzepte haben die Fähigkeit, Licht von inaktiven Bereichen hin zu den aktiven Flächen eines Solarmoduls zu leiten, wodurch die entsprechende Verlustleistung reduziert wird. Unter den verschiedenen optischen Tarnkonzepten sind Freiformoberflächen (FFS) als Tarnkappen eine interessante Technologie, die omnidirektionales Tarnen von inaktiven Flächen verspricht. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von FFS mit der anvisierten Anwendung auf Perowskit/Silizium-Tandem-Solarmodulen, die ihrerseits sowohl für die Forschung als auch für die Industrie von höchstem Interesse sind, da die Kombination zweier Absorbermaterialien das theoretische Limit der PCE von 29 % für Einfachsolarzellen auf 46 % für Tandemsolarzellen erhöht. Eine detaillierte Untersuchung der optischen Verluste mittels optischer Simulation und EY-Modellierung von zwei- (2T) und vier-poligen (4T) Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen in dieser Arbeit zeigt, dass Leistungsverluste durch inaktive Flächen – neben der parasitären Absorption – einer der größten optischen Verlustmechanismen von Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen sind. Auch wenn FFS in einem idealen Design eine perfekte Tarnung von inaktiven Flächen aufweisen, sind sie nicht mit der herkömmlichen Architektur von Solarmodulen kompatibel, da sie eine nicht planare, für Verschmutzung anfälligere Oberfläche aufweisen. Um Verschmutzungen zu vermeiden, wird die Einbettung von FFS unter einer Glasabdeckung untersucht und hierfür zwei optimierte Designs von Freiformoberflächen vorgeschlagen, die unter Berücksichtigung eines geometrischen Füllfaktors (GFF) von inaktiven Flächen von 4 % die Einstrahlungsleistung auf die aktive Fläche theoretisch um 3.5 % erhöhen. Die Fähigkeit des omnidirektionalen Tarnen wird jedoch durch die vorgeschlagenen Designs beeinträchtigt, was zu einem etwas geringeren Anstieg des EY unter realistischen Einstrahlungsbedingungen von 2.4 % jährlich führt. Die effektive Tarnung inaktiver Flächen verschiebt zudem den optimalen Abstand und die optimale Dicke der Frontelektrode. Unter einer zusätzlichen Optimierung der Frontkontaktierung, erhöht sich der Anstieg in EY durch den Einsatz von eingebetteten FFS weiter auf 3.1 %. Prototypen von Einfachsolarzellen aus CuIn\(_{\text{x}}\)Ga\(_{\text{1-x}}\)Se\(_{\text{2}}\) (CIGS) und kristallinem Silizium (c-Si) zeigen zwei mögliche Ansätze zur Einbettung von FFS in die vorderen Verkapselungsschichten konventioneller Solarmodule auf: (1) Prägen von FFS in das polymere Verkapselungsmaterial und Einbetten unter einer Glasabdeckung, was zu einer Erhöhung der Kurzschlussstromdichte \(J_{\text{SC}}\) eines CIGS-Solarmoduls um 4.1 % bei einem GFF inaktiver Flächen von 4.7 % führt, und (2) Einbetten von FFS-Cloaks direkt in das Deckglas durch Anwendung der Flüssigglastechnik, die den \(J_{\text{SC}}\) von c-Si-Solarzellen um 3.8 % bei einem GFF von 4.4 % erhöht. Beide Ansätze stellen eine praktikable Option für die Anwendung von FFS in 2T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodulen dar. Für 4T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodule ist die Abscheidung der Perowskitsolarzelle (PSC) direkt auf der Glasabdeckung vorzuziehen, da sie Frontschichten höherer optischer Qualität ermöglicht. Um eine Oberflächenqualität zu erreichen, die die Abscheidung der konformen dünnen Schichten einer PSC unterstützt, wird die mit der Flüssigglastechnik hergestellte Glasabdeckung mechanisch poliert. Die Herstellung von funktionierenden Perowskitsolarzellen ist jedoch noch nicht erfolgreich. Die optische Charakterisierung bestätigt jedoch das effiziente Tarnen von inaktiven Flächen mittels diesen Ansatzes, unterstreicht aber auch die starke Abhängigkeit von optischen Tarnkonzepten von ihrer Ausrichtung bezüglich der inaktiven Flächen. Im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung bleiben die erfolgreiche Abscheidung von PSCs auf Glasabdeckungen, die mit der Flüssigglastechnik hergestellt werden, die Verbesserung der Ausrichtung und die Aufskalierung der Technologie offene Herausforderungen.