title: Innovative material concepts for tandem solar cells
title: Innovative Materialkonzepte für Tandem-Solarzellen
Creators: name: Fett, Bastian
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: perovskite, double perovskite, lead-halide, tandem, solar cell, lead-free, spray-dryingq

description: The optimization and further development of renewable energy sources such as photovoltaics is of tremendous importance due to the omnipresent climate crisis. Perovskite solar cells and especially perovskite-silicon tandem solar cells offer the capability of overcoming the efficiency limitations of state-of-the-art single-junction silicon solar cells. Perovskite solar cells are composed of multiple thin film materials of which some are organic and some are inorganic. Some of these lack in longterm-stability. These limitations must be overcome to enable the commercialization of perovskite-silicon tandem solar cells within the near future. Moreover, most high-efficient perovskite absorbers are lead-based, which eventually entails hazards to the environment and living beings and makes it desirable to strive for lead-substitution. In this thesis, different aspects of modern perovskite solar cells have been addressed. Namely, the following two essential thin film materials have been investigated: The hole-transport material NiOx and different lead-free and lead-based absorber materials. The formation process of wet-chemically deposited NiOx is revealed in order to render it a suitable hole-transport layer for perovskite-silicon tandem solar cells. The junction of NiOx on silicon is investigated thoroughly. Moreover, a Cu- and Li-doping strategy is implemented in a relatively broad doping concentration range to enhance the NiOx properties. Regarding the perovskite absorber synthesis approaches, spray-drying was introduced as synthesis method for various kinds of perovskite absorber materials enabling an easy scale-up of the process. Concerning the issues of utilizing leadbased absorber materials, this thesis took the endeavor to have a detailed look into Bi-based perovskite derivatives. Especially, Cs2AgBiBr6 and its Sb-doping to decrease the bandgap energy were investigated in detail. An Sb-substitution limit of 40% and a corresponding bandgap decrease of 0.22 eV were identified. The Sb doping worked at significantly higher levels in spray-drying compared to the conventional solution cooling method. The undoped double perovskite Cs2AgBiBr6 allowed to reach efficiencies of ca. 0.5%. The thin film morphology of Cs3Bi2I9 was adjusted to obtain high-quality thin films with high coverage and without pinholes. The Cs3Bi2I9 thin films exhibited major differences compared to reports from literature. However, no significant solar cell performance was achieved due to thin absorber film thickness and materialinherent limitations. The spray-drying method was used for the synthesis of leadbased absorbers as well, inorganic and organic-inorganic hybrids, to broaden the view on the suitability of this technique for the synthesis of different perovskite compositions. Thus, the lead-based absorbers FA0.75Cs0.25Pb(I0.8Br0.2)3, CsPbBr3, and MAPbI3 were synthesized via spray-drying. The spray-dried FA0.75Cs0.25Pb(I0.8Br0.2)3 powder was used as the precursor in the processing of single-junction solar cells to test its performance against the conventional route of using a solution of the respective precursor salts. The spray-dried powder exhibited high shelve-time and stability in inert-gas atmosphere, and achieved 92% of the efficiency achieved by the conventional route. The wet-chemical deposition of NiOx enables a quick screening of various doping elements in easily adjustable concentrations. It offers high stability and is resistant to external influences that can be detrimental to organic contact materials. Since spray-drying can be used for any precursor solution, it can be seen as a fast screening method for perovskite absorber materials in powder form. It enables the replacement of rather precarious solvents and might allow for different doping concentrations compared to conventional synthesis methods. Owing to its simple scalability, it might help to pave the way toward a large-scale production of perovskite absorber powders to match increasing material demands once perovskitebased photovoltaics get widely deployed.
description: Der Weiterentwicklung und Optimierung von erneuerbaren Energietechnologien wie der Photovoltaik kommen vor dem Hintergrund der gegenwärtigen Klimakrise eine besondere Bedeutung zu. Perowskit-Solarzellen und insbesondere Perowskit- Silicium Tandemsolarzellen zeigten in den vergangenen Jahren das Potenzial auf, die theoretischen Limitierungen der Effizienzsteigerung von heutigen Silicium-Solarzellen überschreiten zu können. Perowskit-Solarzellen bestehen aus verschiedenen Dünnschichtmaterialien, welche teils aus organischen und anorganischen Materialien aufgebaut sind. Einige der heutzutage eingesetzten Materialien zeigen eine schlechte Langzeitstabilität, was die Kommerzialisierung und großflächige Nutzung von Perowskit-Silicium Tandemsolarzellen bisher größtenteils verhindert. Hinzu kommt, dass die Perowskit-Absorber mit den höchsten Umwandlungseffizienzen überwiegend bleibasiert sind und somit bei Freisetzung in die Natur eine Gefahr für Umwelt und Lebewesen darstellen. Daher ist die Substitution von Blei in Absorbermaterialien ein interessantes und wichtiges Forschungsfeld. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte von modernen Perowskit-Solarzellen untersucht. Die folgenden zwei Komponenten standen dabei im Fokus: NiOx, welches als Lochleitermaterial eingesetzt wird, und verschiedene sowohl bleifreie als auch bleibasierte Perowskit-Absorber. Der Entstehungsprozess von nasschemisch abgeschiedenem NiOx wurde detailliert untersucht, um die Eignung und kritische Parameter für den Einsatz der NiOx Dünnschichten in Perowskit-Silicium Tandemsolarzellen zu identifizieren. Darüber hinaus wurde der Ansatz einer Dotierung mit Cu bzw. Li in einem relativ breiten Konzentrationsbereich zur Verbesserung der elektronischen Eigenschaften untersucht. Auch wenn der Prozess der Sprühtrocknung in diversen Einsatzgebieten seit langer Zeit etabliert ist, wurde er im Rahmen dieser Arbeit zur Synthese von verschiedenen Perowskit-Absorbern eingeführt. Neben bleibasierten Absorbermaterialien wurden auch bleifreie Absorber synthetisiert, wobei insbesondere Cs2AgBiBr6 und dessen Sb-substitution zur Reduktion der Bandlücke im Detail untersucht wurden. Hierbei wurde eine Substitutionsgrenze von 40% und eine damit verbundene Reduktion der Bandlücke um 0.2 eV identifiziert. Im Vergleich zur konventionellen Synthesemethode konnten mit der Sprühtrocknung signifikant höhere Substitutionslevel realisiert werden. Die mittels beider Methoden hergestellten undotierten Cs2AgBiBr6 Doppelperowskit-Absorberpulver führten zu Solarzelleffizienzen von ca. 0.5 %. Neben dem genannten Doppelperowskit wurden weitere Bi-basierte Systeme untersucht. So wurde bspw. die Morphologie von Cs3Bi2I9 Dünnschichten bzgl. Substratbedeckung und Defektdichte optimiert. Die somit erzielten Dünnschichtmorphologien wiesen deutliche Unterschiede zu bisher in der Literatur beschriebenen Dünnschichten desselben Absorbermaterials auf. Dennoch konnte mit den Cs3Bi2I9 Absorberschichten keine nennenswerte Solarzellperformance erzieltwerden. Die Sprühtrocknung wurde außerdem für die Synthese von bleibasierten, sowohl rein anorganischen als auch anorganisch-organischen Mischsystemen eingesetzt, um die Methode bzgl. weiterer Materialzusammensetzungen zu testen. Daher wurden die drei bleibasierten Systeme FA0.75Cs0.25Pb(I0.8Br0.2)3, CsPbBr3, und MAPbI3 hergestellt und mit den gängigen Charakterisierungsmethoden untersucht. Das hergestellte FA0.75Cs0.25Pb(I0.8Br0.2)3 Pulver wurde unmittelbar als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen genutzt und in den direkten Vergleich zum gängigen Vorgehen des Lösens der einzelnen Halogenidsalze gesetzt. Das sprühgetrocknete Absorberpulver zeigte neben einer hohen Stabilität und Lagerzeit in inerter Atmosphäre eine gute Prozessierbarkeit und führte zu Umwandlungseffizienzen von 92% bezogen auf die Umwandlungseffizienzen der Referenzzellen. Die nasschemische Abscheidung von NiOx erlaubt eine zügige und einfache Variation von verschiedenen Dotierelementen in unterschiedlichen Konzentrationen. NiOx ist stabil und resistent gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit, welche typischerweise nachteilig für gängige organische Kontaktschichtmaterialien sind. Da die Sprühtrocknung prinzipiell jede Art vonAusgangslösung verarbeiten kann, kann es als geeignete Methode zum schnellen Screenen von verschiedensten Materialzusammensetzungen für Perowskitabsorber in Pulverform gesehen werden. Des Weiteren erlaubt sie das Verwenden von weniger bedenklichen Lösemitteln und könnte im Vergleich zu gängigen Synthesemethoden möglicherweise andere Substitutionsgrenzen zulassen. Durch das Potenzial der Skalierbarkeit der Methode könnte in Zukunft möglicherweise eine deutlich höhere Materialausbeute realisiert werden, die für den großflächigen Einsatz von Perowskitabsorbern im Bereich der Photovoltaik unumgänglich sein wird.