Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Next generation photovoltaics, based on organic, inorganic or hybrid absorbers, can be fabricated as thin, lightweight and flexible modules. This makes them attractive for integration in building façades and consumer products. From these technologies, organic photovoltaics is the most mature, pursued by a number of companies and marking efficiencies up to 13%. Hybrid perovskite cells, on the other hand, is a new technology but with soaring efficiencies, above 22% on cell level. These technologies rely on substrates coated with a transparent electrode. For flexible modules, ITO-coated PET is by far the most common (ITO: indium tin oxide), despite its high cost, poor mechanical stability and limited applicability as cathode. NEXT-FOIL develops an alternative to ITO-coated PET, based on dielectric/metal/dielectric (DMD) multilayers, sputtered at industry-compatible deposition rates. As dielectrics, single and mixed oxides, based on TiO2 (intrinsic and doped) and MoO3 will be used. While TiO2, with low work function, is suited for electron extraction, MoO3, a high work function oxide, is employed to extract holes. In mixed oxides, the work function can be adapted to fit specific device energetics. As metals, Cu and Ag offer optimal performance/cost ratio. DMDs deliver: Lower cost than ITO; sheet resistance < 10 Ω/sq without need of substrate heating during deposition or post-processing; stability of the resistance against bending; adaptability for use as cathode or anode, depending on the used dielectric. The competitive edge of the DMD-based foils will be demonstrated with the fabrication of efficient hybrid perovskite modules. A complementary consortium has been gathered to realize the project. AIT will tackle design, simulation and experimental realization of the DMDs, PLANSEE will develop the sputter targets for the high throughput deposition and SOLARONIX will implement the developed electrodes in efficient perovskite cells & modules. To this end, selected anode and cathode electrodes will be deposited in a roll-to-roll process.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le projet NEXT-FOIL développe une alternative aux films en PET recouverts d’ITO, en se basant sur des couches multiples diéléctrique/métal/diéléctrique (DMD), déposées par pulvérisation cathodique à des vitesses compatibles aux procédés industriels. Des oxydes simples ou mixtes basés sur le TiO2 (dopé ou vierge) et du MoO3 sont employés comme diéléctriques. Le TiO2 est prédestiné pour l’extraction des électrons, tandis que le MoO3 sert pour la collectes des trous, étant un oxyde à haute fonction de travail. Dans le cas des oxydes mixtes, la fonction de travail peut être adaptée aux niveaux énergétiques au sein de la cellule. Comme métaux, c’est le cuivre et l’argent qui offrent le meilleur rapport coûts/performances. L’empilement DMD offre un coût réduit par rapport à l’ITO, une resistance surfacique < 10Ω/sq sans devoir passer par un traitement thermique pendant le dépôt ou après, une robustesse de la conductivité éléctrique accrue lorsque le film est plié, ainsi que le choix d’agir en tant que cathode ou anode selon le diéléctrique choisi. L’avantage compétitif des feuilles DMD sera démontrée avec la fabrication de modules photovoltaïques efficaces au Pérovskite.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Perowskit-Solarzelle ist eine relativ neue Dünnschichttechnologie, die hohe Wirkungsgrade auf-weist. Die Technologie basiert auf Substraten, die mit einer transparenten Elektrode beschichtet sind. Für flexible Module ist ITO-beschichtetes PET mit Abstand am gebräuchlichsten (ITO: Indium-Zinn-Oxid), trotz hoher Kosten, schlechter mechanischer Stabilität und begrenzter Anwendbarkeit als Kathode. Das Projekt NEXT-FOIL - durchgeführt im Rahmen des europäischen Calls Solar Era.net - zielte auf die Realisierung und Validierung eines flexiblen Substrats mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht, die aus einem dünnen Metallfilm besteht, der zwischen zwei Metalloxidschichten eingeschlossen ist und eine Schichtfolge aus Dielektrikum/Metall/Dielektrikum (DMD) bildet. Die Partner in diesem Era.net-Projekt waren das Austrian Institute of Technology (AIT) in Wien, das als Koordinator fungierte, die Firma PLANSEE (Reutte, Österreich), welche massgeschneiderte Mischmetalloxid-Sputter-Targets herstellte, und SOLARONIX (Aubonne, Schweiz), die zusammen mit dem AIT die Perowskit-Solarzellenbauteile herstellte.
Solche DMD-beschichteten Polymerfolien (PET) wurden auf ihre Leitfähigkeit, ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Eignung als Substrat in niedrigtemperaturverarbeiteten Perowskit-Solarzellen untersucht. Abgesehen von der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit besteht der grosse Vorteil eines DMD-basierten Substrats darin, dass es seine hervorragende elektrische Leitfähigkeit bei wiederholtem Biegen auf kleinen Radien von wenigen Millimetern beibehält, was bei den herkömmlichen flexiblen transparenten elektrisch leitfähigen Substraten unmöglich ist, da ihre keramische ITO-Schicht bei Verformung sehr zerbrechlich ist. Dank einer mesoporösen Titanoxidschicht, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet wurde, war es möglich, Perowskit-Solarzellen auf DMD-Substraten herzustellen, die eine ähnliche elektrische Leistung aufweisen wie Zellen, die auf ITO-beschichtetem Glas hergestellt wurden. Gleichzeitig bestätigte dies, dass die äussere Niob-Titanoxid-DMD-Schicht direkt als die entscheidende «Lochsperrschicht» in solchen Perowskit-basierten Solargzellen fungiert.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The perovskite solar cell is a fairly new thin-film technology that nevertheless boasts high efficiencies. The technology is based on substrates coated with a transparent electrode. For flexible modules, ITO-coated PET is by far the most common (ITO: indium tin oxide), despite high costs, poor mechanical stability and limited applicability as a cathode. The project NEXT-FOIL – carried out within the framework of the European call Solar Era.net – aimed at the realization and validation of a flexible substrate having a transparent electrically conductive layer formed by a thin metallic film enclosed between two metal oxide layers, forming a dielectric/metal/dielectric (DMD) stack. The partners in this Era.net project were the Austrian Institute of Technology (AIT) in Vienna, acting as the coordinator, the company PLANSEE (Reutte, Austria) making tailored mixed metal oxide sputtering targets, and SOLARONIX (Aubonne, Switzerland) preparing the perovskite solar cell devices together with the AIT.
Such DMD coated polymer foils (PET) have been evaluated for their conductivity, their mechanical prop-erties, and their fitness to serve as substrate in low-temperature processed perovskite solar cells. Apart from its economic competitiveness, the unique benefit of a DMD based substrate is that it keeps its excellent electrical conductivity during repeated bending on small radii of a few millimetres, impossible with the conventional flexible transparent electrically conductive substrates, as their ceramic ITO layer is very fragile upon deformation. Thanks to a low temperature processed mesoporous titanium oxide layer, it was possible to make perovskite solar cells on DMD substrates, having similar electrical perfor-mance than cells made on ITO coated glass. In the same time, this validated the outer niobium-titanium oxide DMD layer to act directly as the key ‘hole blocking layer’ in such perovskite based solar devices.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La cellule solaire pérovskite est une technologie en couche mince assez récente qui se distingue né-anmoins par son haut rendement. Cette technologie est basée sur des substrats recouverts d'une élec-trode transparente. Pour les modules flexibles, le PET revêtu d'ITO est de loin le plus courant (ITO : oxyde d'indium et d'étain), malgré son coût élevé, sa faible stabilité mécanique et son applicabilité lim-itée en tant que cathode. Le projet NEXT-FOIL - réalisé dans le cadre de l'appel européen Solar Era.net - visait la réalisation et la validation d'un substrat flexible ayant une couche transparente électriquement conductrice formée par un mince film métallique enfermé entre deux couches d'oxydes métalliques, formant un empilement diélectrique/métal/diélectrique (DMD). Les partenaires de ce projet Era.net étaient le Austrian Institute of Technology (AIT) de Vienne, qui agissait en tant que coordinateur, la société PLANSEE (Reutte, Autriche) qui fabriquait des cibles de pulvérisation d'oxyde métallique mixte sur mesure, et SOLARONIX (Aubonne, Suisse) qui préparait les dispositifs de cellules solaires à base de pérovskite en collaboration avec l'AIT.
Ces feuilles de polymère revêtues de DMD ont été évaluées pour leur conductivité, leurs propriétés mécaniques et leur aptitude à servir de substrat dans les cellules solaires pérovskites réalisées à basse température. Outre sa compétitivité économique, l'avantage unique d'un substrat à base de DMD est qu'il conserve son excellente conductivité électrique lors de flexions répétées sur de petits rayons de quelques millimètres, ce qui est impossible avec les substrats conventionnels souples et transparents électriquement conducteurs, car leur couche céramique d'ITO est très fragile lors de la déformation. Grâce à une couche d'oxyde de titane mésoporeux déposée à basse température, il a été possible de fabriquer des cellules solaires en pérovskite sur des substrats DMD, ayant des performances électriques similaires à celles des cellules fabriquées sur du verre revêtu d'ITO. En même temps, cela a permis de valider que la couche DMD extérieure en oxyde de niobium-titane agissait directement comme la "couche de blocage des trous" dans ces dispositifs solaires à base de pérovskite.
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