PRESTO – Perovskite/silicon tandem solar cells with high fill factors

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502209

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Für eine vollständige Dekarbonisierung der Schweizer Stromproduktion sind neuartige Photovoltaik-Technologien erforderlich, die mehr Watt pro m2/CHF liefern. Dieses Projekt konzentriert sich auf die vielversprechendste Verbesserung der heutigen Photovoltaik-Technologien: Tandemvorrichtungen, die zwei Solarzellen in einem einzigen Bauteil vereinen, eine aus Silizium und eine aus einem Perowskit-Material. Dieses zweijährige Projekt zielt darauf ab, die Mechanismen zu verstehen, die den Füllfaktor begrenzen, den Hauptparameter, der diese Geräte daran hindert, ihr volles Potenzial zu erreichen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Novel photovoltaic technologies delivering more watts per m2/CHF are needed to fully decarbonize Switzerland’s electricity production. This project focuses on the most promising upgrade to today’s photovoltaic technologies: tandem devices combining two solar cells in one product, one in silicon, one based on a perovskite material. This two-years project will aim to understand the mechanisms limiting the fill factor, the main parameter preventing these devices from reaching their full potential.

Kurzbeschreibung (Französisch)

De nouvelles technologies photovoltaïques fournissant plus de watts par m2/CHF sont nécessaires pour décarboniser entièrement la production d'électricité en Suisse. Ce projet se concentre sur l'amélioration la plus prometteuse des technologies photovoltaïques actuelles : les dispositifs tandem combinant deux cellules solaires dans un seul produit, l'une en silicium, l'autre basée sur un matériau pérovskite. Ce projet de deux ans visera à comprendre les mécanismes limitant le facteur de remplissage, le principal paramètre empêchant ces dispositifs d'atteindre leur plein potentiel.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Jacobs et al., Lateral Ion Migration Accelerates Degradation in Halide Perovskite Devices, Energy Environ. Sci., 2022,15, 5324-5339, https://doi.org/10.1039/D2EE02330J http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.21280.87044

Turkay et al., Synergetic substrate and additive engineering for over 30%-efficient perovskite-Si tandem solar cells,Joule 8, 1735–1753 (2024) https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.015

Artuk et al., A Universal Perovskite/C60 Interface Modification via Atomic Layer Deposited Aluminum Oxide for Perovskite Solar Cells and Perovskite–Silicon Tandems, Advanced MaterialsVolume 36, Issue 21 (2024) https://doi.org/10.1002/adma.202311745

Othman et al., Alleviating nanostructural phase impurities enhances the optoelectronic properties, device performance and stability of cesium-formamidinium metal–halide perovskites, Energy Environ. Sci., 2024, 17, 3832–3847 (2024) https://doi.org/10.1039/D4EE00901K

Chin et al., Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells, Science, Vol 381, Issue 6653, pp. 59-63 (2023) https://doi.org/10.1126/science.adg0091

Guesnay et al., Pizza Oven Processing of Organohalide Perovskites (POPOP): A Simple, Versatile and Efficient Vapor Deposition Method, Advanced Energy MaterialsVolume 14, Issue 10 2303423 (2024) https://doi.org/10.1002/aenm.202303423

Fiala, Material Development for Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics, Doctoral Thesis, EPFL (2022) https://infoscience.epfl.ch/handle/20.500.14299/187540

Schlussbericht (Deutsch)

Perowskit Solarzellen haben sich innert kürzester Zeit derart entwickelt, dass von einer zeitnahen Kommerzialisierung auszugehen ist. Insbesondere in Kombination mit bereits etablierten Siliziumsolarzellen als Tandem versprechen sie hohe Wirkungsgrade bei geringen Kosten. Zu Beginn des Projektes PRESTO lag der maximale Wirkungsgrad dieser Technologie etwa bei dem theoretischen Limit von Siliziumzellen alleine (ca. 29%). Ziel von PRESTO war es durch sukzessive Verbesserung der Passivierungsschichten der Perowskitsolarzelle und deren optimierten Abscheidung auf pseudozufällige Silizumtexturen die Rekombinations- und Absorptionsverluste zu minimieren. Dies wurde insbesondere mittels dreier Methoden realisiert: Ein ultradünnes Tunneloxid aus AlOx erlaubt die Abstandsregulierung zwischen Perowskit und Elektronenkontakt und damit die Verringerung der Verluste an jenem Kontakt; ferner wurden zwei weiter Schichten entwickelt: eine passivierende Schicht und ein partieller Kontakt (pFBPA, SiOx Nanopartikel). Mithilfe dieser Methoden konnte das Ziel eines Wirkungsgrades von > 30% und dann > 31% erreicht werden, was zu einem doppelten Weltrekord führte (im Grunde dreifach: 29.9%, 30.9%, 31.25%). Die Stabilität dieser Zellen wurde weiter evaluiert, diese erscheint jedoch gegenwärtig noch unzureichend für kommerziellen Anwendungen.

Schlussbericht (Englisch)

Perovskite solar cells have developed so rapidly in a short period of time that commercialization can be expected soon. Especially in combination with already established silicon solar cells as a tandem, they promise high efficiencies at low costs. At the beginning of the PRESTO project, the maximum efficiency of this technology was approximately at the theoretical limit of silicon cells alone (approx. 29%). The goal of PRESTO was to minimize recombination and absorption losses by successively improving the passivation layers of the perovskite solar cell and their optimized deposition on pseudo-random silicon textures. In particular the development of the contact displacement via a thin tunneling layer of AlOx - enabling reduced losses at the electron contact - was achieved in the project alongside two additional passivating interlayers/ partial contacting schemes (pFBPA, SiOx nanparticles). A target efficiency of > 30% and then > 31% was achieved for the first time, resulting in a double world record (In fact three records: 29.9%, 30.9%, 31.25%). The stability of these cells was further evaluated, but currently appears to be insufficient for commercial applications.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 2'007 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les cellules solaires pérovskites ont connu un développement si rapide en peu de temps que leur commercialisation est envisageable prochainement. En particulier, en combinaison avec les cellules solaires en silicium déjà établies en tandem, elles promettent des rendements élevés à faibles coûts. Au début du projet PRESTO, le rendement maximal de cette technologie était approximativement à la limite théorique des cellules en silicium seules (environ 29%). L'objectif de PRESTO était de minimiser les pertes par recombinaison et absorption en améliorant successivement les couches de passivation de la cellule solaire pérovskite et leur dépôt optimisé sur des textures de silicium pseudo-aléatoires. En particulier, le développement du déplacement de contact via une couche mince d'AlOx qui permet l’effet tunnel - permettant de réduire les pertes au niveau du contact négative - a été réalisé dans le projet, parallèlement à deux autres couches intermédiaires de passivation/systèmes de contact partiel (pFBPA, nanoparticules de SiOx). Une efficacité de > 30% et puis > 31% a été atteint pour la première fois, ce qui a donné lieu à un double record mondial (en fait, trois records : 29.9%, 30.9 %, 31.25 %). La stabilité de ces cellules a été évaluée plus en détail, mais elle semble actuellement insuffisante pour les applications commerciales.