CIGSPSC – Highly efficient perovskite solar cells for tandem devices fabricated by industrially relevant and scalable deposition methods

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501805

Schlüsselwörter (Englisch)

Thin film solar cells; thin film tandem solar cells; perovskite; transparent solar cells; CIS solar cells

Kurzbeschreibung (Englisch)

The PV system costs can only be reduced if increased module efficiency is combined with cost efficient production concepts such as thin film processing. Disruptive improvement of the module efficiency can be achieved by combining promising single junction technologies to tandem devices. Suitable candidates for the two single junctions that fulfil the high efficiency and cost-efficient production criteria are thin film chalcogenide and halide based perovskite solar devices. Both material systems allow tuning of the energy band gap values and suitability as bottom and top cells has been demonstrated in proof of concept studies. In this project we will employ only deposition methods that are industrially relevant and scalable in area and deposition speed and propose a perovskite device structure that does not require highly expensive organic transport layers with questionable long term stability and wherever possible we will select materials that are already in use or compatible to the bottom cell structure. We will pay special attention to performance stability and will propose strategies to overcome the intrinsic degradation of perovskite devices. Finally, we will demonstrate flexible tandem mini-modules and evaluate the commercial potential.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Siegrist, S., Yang, S. C., Gilshtein, E., Sun, X., Tiwari, A. N., & Fu, F. (2021). Triple-cation perovskite solar cells fabricated by a hybrid PVD/blade coating process using green solvents. Journal of Materials Chemistry A, 9(47), 26680-26687. https://doi.org/10.1039/d1ta07579a

S. Siegrist, T. Moser, R. Kothandaraman, H. Lai, Y. Zwirner, X. Sun, A. N. Tiwari and F. Fu, Perovskite solar cell research at the Laboratory for Thin Films and Photovoltaics, Poster at the 19th Swiss National Photovoltaic Conference, July 2021. https://www.swissolar.ch/fileadmin/user_upload/Tagungen/PV-Tagung_2021/6_Poster_Siegrist_Empa.pdf

Schlussbericht (Deutsch)

Halogenid-Perowskit-Solarzellen (PSCs) haben in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht und erreichen heute einen zertifizierten Wirkungsgrad von über 25 %. Die Skalierbarkeit von hocheffizienten Perowskit-Solarzellen ist eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Solarmodulen. Es wurden verschiedene skalierbare Methoden erforscht, um einheitliche Perowskit-Filme von hoher Kristallqualität auf großflächigen Substraten zu erzeugen, aber jede dieser Methoden hat individuelle Beschränkungen für das Potenzial einer erfolgreichen Kommerzialisierung der Perowskit-Photovoltaik. Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung effizienter und stabiler flexibler NIR-transparenter Perowskit-Solarzellen und -Minimodulen für Tandemanwendungen. Für die Perowskit-Absorber, die Ladungstransportschichten und die transparenten Elektroden wurden ausschließlich industrie-relevante und in Fläche und Abscheidegeschwindigkeit skalierbare Abscheidungsmethoden eingesetzt. Darüber hinaus untersuchten wir die Leistungsstabilität von NIR-transparenten Perowskit-Solarzellen unter Betriebsbedingungen und klärten den mikroskopischen Degradationsmechanismus auf. Schließlich entwickelten wir eine vollständig lasergestützte Zellverschaltung für flexible NIR-transparente Perowskit-Minimodule und demonstrierten die ersten flexiblen Perowskit-CIGS-Tandem-Minimodule mit einem Wirkungsgrad von über 16 %.

Schlussbericht (Englisch)

Halide perovskite solar cells (PSCs) have shown tremendous advancements in the past ten years, now reaching certified power conversion efficiency (PCE) over 25%. The scalability of highly efficient perovskite solar cells is one of the major challenges of solar module manufacturing. Various scalable methods have been explored to strive for uniform perovskite films of high crystal quality on large-area substrates, but each of these methods has individual limitations on the potential of successful commercialization of perovskite photovoltaics. The aim of this project was to develop efficient and stable flexible NIR-transparent perovskite solar cells and mini-modules for tandem application. We employed only deposition methods that are industrially relevant and scalable in area and deposition speed for perovskite absorbers, charge-transport layers, and transparent electrodes. In addition, we investigated the performance stability of NIR-transparent perovskite solar cells under operating conditions and elucidate the microscopic degradation mechanism. Finally, we developed all-laser scribing cell interconnection for flexible NIR-transparent perovskite mini-module and demonstrate the first flexible perovskite-CIGS tandem mini-modules with over 16% efficiency.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 10'271 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les cellules solaires à pérovskite (PSC) à base d'halogénure ont fait d'énormes progrès au cours des dix dernières années, atteignant désormais un rendement de conversion de puissance (PCE) certifié supérieur à 25 %. La mise à l'échelle de cellules solaires à pérovskite hautement efficaces est l'un des principaux défis de la fabrication de modules solaires. Diverses méthodes de mise à l'échelle ont été explorées pour tenter d'obtenir des films de pérovskite uniformes de haute qualité cristalline sur des substrats de grande surface, mais chacune de ces méthodes présente des limites individuelles sur le potentiel de commercialisation réussie des cellules photovoltaïques en pérovskite. L'objectif de ce projet était de développer des cellules solaires et des mini-modules de pérovskite flexibles, efficaces et stables, transparents dans le proche infrarouge, pour une application en tandem. Nous avons utilisé uniquement des méthodes de dépôt qui sont pertinentes pour l'industrie et évolutives en termes de surface et de vitesse de dépôt pour les absorbeurs de pérovskite, les couches de transport de charge et les électrodes transparentes. En outre, nous avons étudié la stabilité des performances des cellules solaires en pérovskite transparentes dans le proche infrarouge dans des conditions d'exploitation et élucidé le mécanisme de dégradation microscopique. Enfin, nous avons développé une interconnexion de cellules par gravure au laser pour des mini-modules flexibles en pérovskite transparente dans le proche infrarouge et démontré les premiers mini-modules tandem pérovskite-CIGS flexibles avec une efficacité de plus de 16 %.