HyPer - Hybrid Approach for Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502834

Kurzbeschreibung (Deutsch)

HyPer zielt darauf ab, ein industrielles Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zu entwickeln. HyPer strebt die Demonstration texturierter industrieller Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad von >30 % auf einer Fläche von >250 cm² an, dank der Entwicklung einer hybriden 2-Stufen Abscheidemethode für den Perowskit-Absorber. Durch die Optimierung von Materialien, Prozessen und Gerätearchitekturen soll außerdem die Betriebslebensdauer von Tandems zu verlängern, um sich den Standards der gängigen PV-Technologien anzunähern. HyPer wird direkt zum Green Deal der EU beitragen, indem es das Ökosystem der PV-Fertigung in der EU stärkt, um die technologische Unabhängigkeit und die Energiesicherheit zu gewährleisten. In den letzten zehn Jahren ist die PV-Fertigung in Europa aufgrund der starken Konkurrenz aus China zurückgegangen. Mit der geplanten Arbeit in HyPer werden wichtige Grundlagen für die Industrialisierung der nächsten Generation von PV-Produkten auf Basis hocheffizienter Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

HyPer aimsto develop anindustrial process for the manufacturing of perovskite-silicon tandem solar cells. HyPer targets the demonstration of textured industrial tandem cells with an efficiency >30% on an area of >250 cm2 thanks to the development of an hybrid 2-step deposition method for the perovskite absorber. By optimizing materials, processes and device architectures, another objective will be to extend the operational lifetime of tandems to approach standards reached by mainstream PVtechnologies. HyPer will directly contribute to the EU Green Deal by strengthening the EU PV manufacturing ecosystem to safeguard technology independence and energy security. The last decade has seen a decline in PV manufacturing in Europe due to strong competition from China. With the work planned in HyPer, important foundations will be laid for the industrialization in Europe of the next generation of PV products based on high-efficiency perovskitesilicon tandem solar cells.

Kurzbeschreibung (Französisch)

HyPer vise à développer un processus industriel pour la fabrication de cellules solaires tandem pérovskite-silicium. HyPer vise la démonstration de cellules tandem industrielles texturées avec un rendement >30% sur une surface de >250 cm2 grâce au développement d'une méthode hybride de dépôt en 2 étapes pour l'absorbeur de pérovskite. En optimisant les matériaux, les processus et les architectures des dispositifs, un autre objectif sera d'étendre la durée de vie opérationnelle des tandems pour se rapprocher des normes atteintes par les technologies photovoltaïques courantes. HyPer contribuera directement au Green Deal de l'UE en renforçant l'écosystème de production photovoltaïque de l'UE afin de préserver l'indépendance technologique et la sécurité énergétique. Au cours de la dernière décennie, on a assisté à un déclin de la production photovoltaïque en Europe en raison de la forte concurrence de la Chine. Les travaux prévus dans le cadre du projet HyPer permettront de jeter les bases de l'industrialisation en Europe de la prochaine génération de produits photovoltaïques basés sur des cellules solaires tandem à haut rendement en pérovskite et en silicium.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Dieser Zwischenbericht (Ende des ersten Projektjahres) fasst den Beitrag des Centre d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) zum HyPer-Projekt („Hybrid Approach for Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells“) zusammen. Das HyPer-Projekt zielt darauf ab, hocheffiziente und stabile 2-polige Perowskit-/Silizium-Tandemsiliziumsolarzellen zu industrialisieren, indem skalierbare Abscheideverfahren für großflächige Bauelemente entwickelt werden. Das übergeordnete Ziel besteht darin, den Technologiereifegrad von TRL 4 auf TRL 6 zu erhöhen, indem ein Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung von >30 % auf Silizium- Heterojunction-Wafern (SHJ) im M10-Format (>250 cm² aktive Fläche) mit industriell relevanten Verfahren demonstriert wird. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Anpassung des hybriden Zweistufen-Perowskitabscheideverfahrens - Verdampfung eines anorganischen Gerüstes gefolgt von der Applikation eines Organohalid - Precursors - an Prozesse, die mit großen Wafern und hohem Durchsatz kompatibel sind. Drei skalierbare Zweitschritt-Verfahren (Inkjet-Druck, Slot-Die-Beschichtung und Close-Space-Sublimation) werden miteinander verglichen, um eine gleichmäßige, hochwertige Perowskitschicht auf texturierten Siliziumsubstraten sicherzustellen. Die Erreichung dieser Ziele wird helfen, zentrale Engpässe bei der Skalierung zu überwinden und über kleinflächige, spin-beschichtete Bauelemente hinauszugehen, die derzeit die Rekordwirkungsgrade dominieren. Ein zweites zentrales Ziel ist die Verbesserung der Betriebsstabilität von Perowskit-Silizium-Tandems. HyPer strebt <5 % relative Degradation nach 3000 Stunden Feuchte-Wärme-Belastung (85 °C / 85 % r. F.), 600 Temperaturzyklen (−40 bis 85 °C) und >2000 Stunden Lichtbelastung an und zielt letztlich auf <1 % absolute jährliche Degradation unter Außenbedingungen in Mitteleuropa ab. Dies soll durch die Entwicklung stabilerer Formamidinium (FA)- basierter Perowskitformulierungen, die Unterdrückung von Defektmigration und Phasensegregation, die Implementierung verbesserter Transportschichten (einschließlich räumlicher ALD-SnO2-Pufferschichten) sowie durch eine robuste Glas-Glas-Kapselung erreicht werden. Diese Material-, Interface- und Verkapselungsinnovationen erhöhen die Zuverlässigkeit und belegen die Praxistauglichkeit der Technologie. Das Projekt steht in engem Einklang mit dem CETPartnership-Call zu fortgeschrittenen erneuerbaren Energietechnologien und adressiert Effizienz, Kostenreduktion und technologische Souveränität Europas. Durch die Ermöglichung skalierbarer, leistungsstarker Tandemfertigung unterstützt HyPer direkt den Ausbau kostengünstiger, sauberer Elektrizität und verringert die Abhängigkeit von nicht-europäischen PV-Lieferketten. Das Konsortium setzt zudem auf ausgewogen zusammengesetzte Forschungsteams und verfolgt einen Open-Science-Ansatz mit rascher Ergebnisverbreitung, Open-Access- Publikationen und öffentlicher Bereitstellung von Stabilitätsdaten aus Labor- und Außentests. Zusammengenommen schaffen diese Fortschritte einen glaubwürdigen Pfad hin zu kommerziellen Perowskit/Silizium-Tandemmodulen und tragen zu den langfristigen Zielen der Schweiz und Europas in den Bereichen erneuerbare Energie und Energiesicherheit bei.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

This intermediate report (end of the first year) summarizes the contribution of the Centre d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) to the HyPer (“Hybrid Approach for Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells”) project. The HyPer project aims to industrialize high-efficiency, stable 2-terminal perovskite-silicon tandem solar cells by developing scalable deposition processes for large-area devices. Its overarching goal is to raise the technology readiness level from TRL 4 to TRL 6 by demonstrating >30% power conversion efficiency on M10-size silicon heterojunction (SHJ) wafers (>250 cm² active area) using industrially relevant methods. The project focuses on adapting the hybrid two-step perovskite deposition route evaporating an inorganic scaffold followed by a dispensing of an organohalide precursor to processes compatible with large wafers and high throughput. Three scalable second-step methods (inkjet printing, slot-die coating, and close-space sublimation) will be benchmarked to ensure uniform, high-quality perovskite films on textured silicon substrates. Achieving these objectives will help overcome major bottlenecks in scaling, moving beyond small-area spin-coated devices that currently dominate record efficiencies. A second central aim is to improve the operational stability of perovskite/silicon tandems. HyPer targets <5% relative degradation after 3000 h damp-heat testing (85 °C/85% RH), 600 thermal cycles (−40 to 85 °C), and >2000 h of light soaking, ultimately aiming for <1 % absolute annual degradation outdoors in Central Europe. This will be achieved by developing more stable Formamidinium-(FA-) based perovskite formulations, suppressing defect migration and phase segregation, implementing improved transport layers (including spatial-ALD SnO2 buffers), and establishing robust glass-glass encapsulation. These material, interface, and encapsulation innovations will enhance tandem solar cell reliability and demonstrate the technology’s viability for real-world use. The project is strongly aligned with the CETPartnership Call on advanced renewable energy technologies, addressing efficiency, cost reduction, and technological sovereignty for Europe. By enabling scalable, high-performance tandem manufacturing, HyPer directly supports the deployment of low-cost clean electricity and reduces reliance on non-European PV supply chains. The consortium also integrates gender-balanced research teams and adopts an open-science approach, committing to rapid dissemination of results, open-access publications, and public release of indoor and outdoor stability data. Together, these advances establish a credible pathway toward commercial perovskite-silicon tandem modules and contribute to Switzerland and Europe’s long-term renewable energy and energy-security goals.

Zugehörige Dokumente

• Interim report_english [PDF] 1'788 kB

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

Ce rapport intermédiaire (fin de la première année) résume la contribution du Centre d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) au projet HyPer (« Hybrid Approach for Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells »). Le projet HyPer vise à industrialiser des cellules solaires tandem pérovskite-silicium à 2 terminaux, à haut rendement et avec une meilleure stabilité, en développant des procédés de dépôt pour des cellule solaire tandem sur grande surface. L’objectif principal est de faire passer le niveau de maturité technologique (Technology Readiness Level) de TRL 4 à TRL 6 en démontrant une efficacité supérieure à 30 % sur des cellules solaires de silicium à hétérojonction (SHJ) au format M10 (>250 cm² de surface active) en utilisant des méthodes pertinentes au niveau industriel. Le projet se concentre sur l’adaptation de la voie hybride de dépôt de la pérovskite en deux étapes - évaporation d’une couche inorganique suivie de l’application d’un précurseur organohalogéné - à des procédés compatibles avec des cellules solaires industrielles et un volume de production élevé. Trois méthodes de déposition pour cette seconde étape (impression jet d’encre, slot-die et sublimation en espace clos) seront comparées afin de garantir des couches de pérovskite homogènes et de haute qualité sur des substrats de silicium texturés. L’atteinte de ces objectifs permettra de lever des verrous majeurs liés à l’industrialisation de cette technologie et de d’obtenir des rendements énergétiques comparable aux cellules solaires de petites taille déposés par spin-coating qui dominent actuellement les records d’efficacité. Un deuxième objectif central est d’améliorer la stabilité opérationnelle des tandems pérovskite/silicium. HyPer vise une dégradation relative inférieure à 5 % après 3000 h d’essais en chaleur humide (85 °C / 85 % HR), 600 cycles thermiques (−40 à 85 °C) et plus de 2000 h de vieillissement sous illumination, avec pour ambition finale une dégradation absolue annuelle inférieure à 1 % en conditions extérieures en Europe centrale. Cet objectif sera atteint grâce au développement de formulations de pérovskite à base de Formamidinium (FA) plus stables, à la suppression de la migration des défauts et de la ségrégation de phase, à la mise en oeuvre de couches de transport améliorées (y compris des couches barrière de SnO2 déposées par ALD spatial) et l’encapsulation verre-verre robuste. Ces innovations au niveau des matériaux, des interfaces et de l’encapsulation renforceront la fiabilité et démontreront la viabilité de la technologie pour des applications réelles. Le projet est fortement aligné sur les objectifs du CETPartnership concernant les technologies avancées d’énergie renouvelable, en répondant aux enjeux d’efficacité, de réduction des coûts et de souveraineté technologique pour l’Europe. En rendant possible une fabrication de tandems performants à grande échelle, HyPer soutient directement le déploiement d’une électricité propre à faible coût et réduit la dépendance vis-à-vis des chaînes d’approvisionnement photovoltaïques non européennes. Le consortium intègre en outre des équipes de recherche équilibrées du point de vue du genre et adopte une approche de science ouverte, avec une diffusion rapide des résultats, des publications en libre accès et la mise à disposition publique de données de stabilité en laboratoire et en extérieur. Ensemble, ces avancées établissent une trajectoire crédible vers des modules tandem pérovskite/silicium commerciaux et contribuent aux objectifs à long terme de la Suisse et de l’Europe en matière d’énergies renouvelables et de sécurité énergétique.