Hocheffiziente Perowskit/Silizium Tandem-Solarzellen: Aktueller Status, Herausforderungen und Effizienzpotential Björn Niesen PV-center B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 Weshalb Tandemzellen? Quelle: PV Report 2015, Fraunhofer ISE Kristalline Si-Solarzellen dominieren den Markt mit >90% Marktanteil Die Zellherstellungskosten sind in den letzten Jahren stark gesunken… …so dass PV-Systemkosten vor allem durch die Effizienz weiter gesenkt werden können Rekordeffizienz für Si-Zellen: 25.6%, nahe am praktischen Limit von 26-27% Tandemsolarzellen! B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 2 Welche Zelltechnologien? VIS NIR Glas/Enkapsulierung Transparenter Kontakt Tandemzelle wird durch die Zelle mit grosser Bandlücke beleuchtet Das infrarote Licht trifft auf die Siliziumzelle Material mit grosser Bandlücke Transparenter Kontakt Optische Kupplung Transparenter Kontakt Silizium-Zelle Rückkontakt Voraussetzungen für hohe Effizienz: Die parasitäre Absorption übers gesamte Spektrum muss minimiert werden Die obere Zelle muss effizient genug sein um eine Effizienzsteigerung zu erreichen Glas/Enkapsulierung B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 3 Welche Zelltechnologien? VIS NIR Metall-Halogenid Perowskit-Zelle: Glas/Enkapsulierung Transparenter Kontakt Perowskit-Zelle Transparenter Kontakt Optische Kupplung Transparenter Kontakt Silizium-Zelle Rückkontakt Glas/Enkapsulierung Variable Bandlücke von 1.5 – 2.3 eV Standard-Material: CH3NH3PbI3 Perowskit mit 1.56 eV Bandlücke Wirkungsgrad bis 21% Potential für kostengünstige Herstellung A = grosses Kation (CH3NH3, Cs) B = kleines Kation (Pb, Sn) X = Halogen (I, Cl, Br) z.B: CH3NH3PbI3 Green et al., Nature Photon. (2014) B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 4 Welche Zelltechnologien? VIS NIR Silizium-Heteroübergang-Zelle: Glas/Enkapsulierung Transparenter Kontakt Perowskit-Zelle Transparenter Kontakt Optische Kupplung Transparenter Kontakt Si-Effizienzrekord Hohe Quanteneffizienz im NIR Wellenlängenbereich Hohe Spannung und FF bei reduzierter Beleuchtung Stabil bis ~200°C Silizium-Zelle Rückkontakt Glas/Enkapsulierung B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 5 Status Perowskit-Solarzellen Effizienzrekord bei 21%, also ähnlich wie multi-Si, CIGS und CdTe, aber… Zellgrösse: Rekordwerte werden aber von < 1 cm2 Zellen erreicht. Module werden entwickelt (η ~10-13%) Stabilität: CH3NH3PbI3 degradiert schnell durch Feuchtigkeit. Fortschritte in letzten Monaten mit neuen Perowskit Materialien (mit Cs, Br,…), allerdings mit reduziertem Wirkungsgrad Kosten: Oft werden teure organische Halbleiter und Gold als Elektrode verwendet, allerdings wurden billige Alternativen bereits gezeigt Umwelt: Hohe Wirkungsgrade bisher nur mit bleihaltigen Zellen, unklar ob bleifreie Materialien ähnliche Effizienz erreichen werden Hoher Wirkungsgrad notwendig aber nicht hinreichend für Erfolg von Perowskit-Solarzellen Neue ermutigende Resultate in letzten Monaten, aber weitere Forschung notwendig B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 6 Perowskit-Zellen für Tandems Standard Perowskit-Zelle Perowskit-Zelle für Tandems Substrat (Glas, PET Folie, etc.) Transparente Vorderelektrode Transportschicht (p oder n) Perowskit IR Transportschicht (n oder p) Metall-Rückelektrode IR Reflektierende Rückelektrode muss durch transparente Schicht ersetzt werden B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 7 Perowskit-Zellen mit transparenten Elektroden Glas FTO TiO2 (Planar + porös) CH3NH3PbI3 Perowskit Spiro-OMeTAD (MoOx) ITO → IZO Effizienz: ITO: 0% => MoOx/ITO: 6.2% => MoOx/IZO: 10.3% Schaden durch sputtering vollständig eliminiert durch MoOx ITO nicht leitfähig genug (T < 100°C) IZO genügend leitfähig für 6 mm x 6 mm Zelle IZO absorbiert <3% im NIR bei ~50 Ohm/□. Leichter Absorptionsverlust durch fehlende Metall-Rückelektrode Löper et al., PCCP 17, 1619 (2015); Werner et al., SolMat, 141, 407 (2015) B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 8 Tandem-Messungen + Perowskit-Zelle: 0.25 cm2, η = 10.36% Silizium-Heteroübergangzelle: 4 cm2, η = 21.7% JSC (mA/cm2) VOC (mV) Perowskit 17.5 870 68 10.36 Si gefiltert 14.6 690 77.6 7.82 Tandem FF (%) ɳ (%) Strom in Si-Zelle stark reduziert, so dass ηTandem < ηSi 18.18 J. Werner et al., SolMat, 141 (2015) 407-413 B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 9 Parasitäre Absorption durch FTO Elektrode Zelle Glas FTO → ITO TiO2 (Planar + porös) Perowskit Spiro-OMeTAD (MoOx) IZO Parasitäre Absorption durch FTO IZO Hohe parasitäre Absorption in FTO FTO → ITO: Erhöhter Strom in Si-Zelle Mit verbesserte Perowskit-Schicht: NIR-transparente Perowskit-Zelle: 15.2% Si-Heteroübergang-Zelle: 21.7% Tandem-Messung: 24.4% Erhöhter Strom in Si-Zelle durch ITO Vorderelektrode B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 10 Tieftemperatur-Perowskitzellen Glas ITO PEIE/PCBM CH3NH3PbI3 Perowskit Spiro-OMeTAD MoOx IZO Planare Zellarchitektur Herstellung < 150°C Effizienz 14.5%, bestätigt durch MPP tracking während 400 s Parasitäre Absorption in Spiro-OMeTAD wenn durch IZO Elektrode beleuchtet J. Werner et al., J. Phys. Chem. Lett. 2016 B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 11 Tieftemperatur-Perowskitzelle IZO Rekombinationsschicht Polierter Si Wafer Zellgrösse durch IZO Schichten definiert Gemessen durch schwarze Beleuchtungsmaske Zwei Zellgrössen 0.17 cm2 1.22 cm2 Si Heteroübergang-Zelle Perowskit-Zelle Monolithische Tandemzellen IZO MoOx Spiro-OMeTAD (p) CH3NH3PbI3 Perowskit PEIE/PCBM (n) IZO p a-Si i a-Si n-type Si wafer i a-Si n a-Si ITO Ag B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 12 Monolithische Tandemzelle: Effizienz Zellgrösse: 1.22 cm2 -30 Tandem aperture area: 1.22 cm2 -10 200 192.5 180 160 -5 0 100 200 300 with ARF 220 Pmpp (W/m2) -20 w/o ARF 0 Current density (mA/cm2) -10 Tandem: w/o ARF with ARF Single-junction: DSP-SHJ Perovskite Pmpp (W/m2) Current density (mA/cm2) 0 Zellgrösse: 0.17 cm2 200 212 180 Aperture area: 0.17 cm2 160 0 100 200 300 Time (s) 400 500 -15 Time (s) -40 0.0 b) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.0 c) Voltage (V) 0.5 1.0 Voltage (V) 14.5% Perowskitzelle 1.5 J. Werner et al., J. Phys. Chem. Lett. 2016 16.8% Si-Heteroübergang-Zelle (mit poliertem Wafer) Monolithische Tandemzelle mit Anti-Reflektionsfolie: 1.22 cm2 Zelle: 19.3% 0.17 cm2 Zelle: 21.2% Kleine IV-Hysterese, Strom von EQE und IV Messungen identisch, Effizienz bestätigt durch MPP-tracking B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 13 Monolithische Tandemzelle: Absorption Ohne / Mit Antireflektionsfolie 1.0 Total 0.8 EQE (-) Current density (mA/cm2) Aperture area: 1.22 cm2 0.6 Top cell: 15.1/16.8 mA/cm2 Bottom cell: 14.6/17.4 mA/cm2 0.4 0.2 Starke Reflektionsverluste durch planare Si-Zelle Mikro-texturierte Antireflektionsfolie kann Verluste verringern Texturierter Wafer nötig um Reflektion weiter zu verringern Strom im NIR zu erhöhen Reflectance 0.0 400 a) 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm) J. Werner et al., J. Phys. Chem. Lett. 2016 B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 14 Effizienzpotential Simulation mit gemessenen optischen Materialeigenschaften Alle Schichten in Simulation miteinbezogen Polierte oder texturierte Si-Zelle Mechanisch gestapelt oder monolithische Tandem-Zelle Schichtdicken werden variiert und optimiert CH3NH3PbI3 Perowskit (1.56 eV Bandlücke) Filipic et al., Opt. Expr. 23, A263 (2015) B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 15 Effizienzpotential (2) Jsc von optischer Simulation und FF / Voc Werte von 24.7% SiHeteroübergang-Zelle und 17% Perowskit-Zelle Für CH3NH3PbI3 Perowskit-Material, höhere Wirkungsgrade potenziell möglich mit Materialien mit grösserer Bandlücke Spiro-OMeTAD limitiert Effizienz in «realistischen» monolithischen Tandems, und verschwindet ohne Schichtdickenbegrenzung für optimierte Zellen Alternative Transportmaterialien müssen gefunden werden Tandem-Effizienz >26% erreichbar Tandem-Architektur ɳ (%), Realistische Schichtdicken ɳ (%), keine SchicktdickenBegrenzung Mechanisch gestapelt 28.4 30.1 Monolithisch, planar 25.4 30.2 Monolithisch, texturiert 26.8 30.3 Filipic et al., Opt. Expr. 23, A263 (2015) B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 16 Zusammenfassung Gesputterte transparente Elektrode mit Metall-Oxid Schicht für Perowskitzellen Perowskit / Si Tandem-Messung mit >24% Effizienz Tieftemperatur-Perowskitzelle mit hoher IR Transparenz und Wirkungsgrad von 14.5% Monolithische Tandemzellen mit >1 cm2 Fläche / bis zu 21% Effizienz Wie geht’s weiter? 0.5cm2 Verbesserte Transportmaterialien Texturierte Siliziumwafer für verbesserte Lichtausbeute Bandlückenanpassung von 1.55 zu 1.75 eV 4 cm2 Zellgrösse bis 6 Zoll Enkapsulierung / stabilere Perowskit-Materialien Perowskit Mini-Modul, hergestellt am CSEM mit Laser-scribing. Aperture-Effizienz: 11.5% B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 17 Danksagung EPFL PV-Lab Jérémie Werner Arnaud Walter Ching-Hsun Weng Johannes Seif Luc Fesquet Silvia Martin de Nicolas Philipp Löper Franz-Josef Haug Monica Morales-Masis Stefaan De Wolf Christophe Ballif CSEM PV-Center Soo-Jin Moon Davide Sacchetto Nicolas Tétreault Matthieu Despeisse Julien Bailat Sylvain Nicolay Christophe Ballif Forschungspartner: EPFL LPI und LMSC EMPA TF-PV und FP ZHAW Universität Ljubljana Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik Finanzierung B. Niesen, 14. Nationale PV-Tagung, Bern, 23.2.2016 18
© Copyright 2024 ExpyDoc
