Advanced optics for perovskite-silicon tandem solar cells

• Applicant: Professor Dr. Stefan Glunz
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering ; Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 322520834

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Das wesentliche Ziel der Arbeiten in OPoSiT war ein eine simulationsgestützte Optimierung der optischen Strukturen von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit dem Ziel den Jahresenergieertrag zu maximieren. Für die vielversprechendsten Strukturen wurden darüber hinaus Verfahren zur experimentellen Realisierung entwickelt. Zunächst wurde eine Erweiterung des OPTOS Formalismus vorgenommen, die es erlaubt, die Absorption für jede Schicht in einer Tandemsolarzelle zu berechnen. Dieser weiterentwickelte Formalismus wurde dann u.a. für detaillierte Verlustanalysen an verkapselten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen eingesetzt, welche eine Pyramiden-Vorderseitentextur mit einem Beugungsgitter auf der Rückseite kombinierten. Eine Vorderseitentextur reduziert auch für eine verkapselte Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle die Reflexion erheblich. Für Pyramiden als Rückseitentextur wurde im Folgenden im Vergleich zu einem Beugungsgitter keine wesentlichen Leistungseinbußen für die Perowskit-Silizium Tandemsolarzelle bestimmt. Da die Pyramiden deutlich leichter in der industriellen Produktion umsetzbar sind, wurden diese zum Standard in den nachfolgenden Betrachtungen. Eine wesentliche, auch weiterhin bestehende Herausforderung ist die Bestimmung korrekter n und k Daten, welche für eine genaue optische Modellierung wichtig sind. Mit Berechnungen des Jahresenergieertrages wurde gezeigt, dass eine Vorderseitentextur wesentlich für die Erzielung eines höheren Ertrages mit einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle im Vergleich zu einer Silizium Single-Junction Solarzelle ist. Es konnte gezeigt werden, dass entsprechend optimierte Tandemsolarzellen nicht stark durch das Problem der Strombegrenzung durch eine spektrale Fehlanpassung limitiert sind. Zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf texturierten Substraten wurde ein Hybrid-Verfahren entwickelt, dass das Verdampfen anorganischer Komponenten mit der nasschemischen Abscheidung weiterer organischer Bestandteile kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesem Hybrid-Verfahren eine konformale Abscheidung der Kontaktschichten und des Perowskitabsorbers auf der Pyramidentextur möglich ist. Die erzielten Ergebnisse haben eine hohe wissenschaftliche Relevanz und werden in bereits angelaufen und geplanten Projekten zur Optimierung von siliciumbasierten Tandemsolarzellen intensiv genutzt. Auch mehrere internationale wissenschaftliche Partner sind auf die Ergebnisse aufmerksam geworden und haben sich an einer Kooperation in diesem Bereich interessiert gezeigt. Weiterhin hat Projekt hat eine hohe wirtschaftliche Relevanz entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Maschinenbauern, Solarzellenherstellern und Projektentwickler und stieß bereits bei mehreren Firmen auf Interesse.

Publications

• “Advanced module optics of textured perovskite silicon tandem solar cells,” in Photonics for Solar Energy Systems VII, Strasbourg, France, 2018, p. 4
  N. Tucher, O. Höhn, B. Bläsi, and J. C. Goldschmidt
  
• “Optical modeling of structured silicon-based tandem solar cells and module stacks,” Optics Express, vol. 26, no. 18, A761, 2018
  N. Tucher, O. Höhn, J. C. Goldschmidt, and B. Bläsi
  
• “Energy yield analysis of textured perovskite silicon tandem solar cells and modules,” Optics Express, vol. 27, no. 20, A1419, 2019
  N. Tucher et al.
  
• „Perovskite Hybrid Evaporation/ Spin Coating Method: From Band Gap Tuning to Thin Film Deposition on Textures” Thin Solid Films, 2020
  P. S. Schulze et al.