Fabrication of semi-transparent perovskite solar cells suitable for 4T silicon/perovskite tandem applications

Abstract

Since their first demonstration in 2009, perovskite solar cells have shown rapid progress in the field of photovoltaics, reaching unprecedented efficiencies in a short space of time. Perovskite solar cells are based on the general crystal structure ABX3 where A is a large monovalent cation, B is a bivalent cation, and X is a halide ion. It has been shown that through alteration of the crystal structure, the size of the bandgap of the perovskite material can effectively be tuned within the range of ≈1.6 eV to above 2 eV. This thesis has investigated different compositions for wide bandgap perovskites suitable for the top cell in a four-terminal (4T) silicon-perovskite tandem device. Furthermore, the thesis also aimed to fabricate a device compatible with a novel dual laser hermetic sealing procedure developed at University of Porto. This sealing procedure ensures the long-term stability of the devices, protecting them from extrinsic degradation factors such as humidity and oxygen under working conditions. It has before been demonstrated on single cells, but never on a tandem device. This work was part of a wider project to construct a hermetically sealed tandem Silicon-Perovskite tandem cell. During this thesis, three different multi-cation, multi-halide perovskite compositions were investigated, using cell fabrication, X-ray diffraction analysis and bandgap determination to assess which composition was most effective. In an opaque cell with gold electrodes, the champion composition achieved impressive efficiencies of >18%. This composition was then used to construct semi-transparent devices, whereby the electrode material was switched for a transparent conductive oxide (indium doped tin oxide – ITO). Buffer layer and electrode materials and thicknesses were assessed, with champion semi-transparent devices reaching efficiencies of 12.3%. The effect of the top cell filtering on the silicon cell beneath was also investigated, with tandem device efficiencies reaching over 15%.

Svonefnd perovskite sólarhlöð hafa þróast hratt og náð mikilli skilvirkni á stuttum tíma, frá því þaukomu fyrst fram á sjónarsviðið árið 2009. Perovskite sólarhlöð hafa almenna kristallabyggingu ABX3þar sem A er stór eingild katjón, B er tvígild katjón og X er halíðjón. Sýnt hefur verið fram á að meðhönnun á kristallabyggingunni má stilla orkugeil sólarhlaðsins á bilinu 1.6 - 2eV.Í þessarri ritgerð voru rannsakaðar nokkrar mismunandi perovskite samsetningar til nota sem efralagið í 4-póla tví-samþættra laga (e. tandem) kísil-perovskite sólarhlaða.Annað takmark þessarrar rannsóknar var að búa til sólarhlöð sem féllu vel að notkun nýrrarframleiðslu-tækni, sem þróuð var af Háskólanum í Porto, Portúgal, við að innsigla sólarsellur. Tækninhægir á niðurbroti sólarhlaðanna við notkun og eykur þannig stöðugleika þeirra og endingu. Áðurhefur verið sýnt fram á að tæknin virkar vel fyrir eins-laga hlöð en ekki er búið að reyna hana á hefurtekist að færa sönnur á að hún virki fyrir tví-samþætt hlöð.Þetta meistaraverkefni er hluti af víðtækari rannsókn sem gengur út á að búa til laser-innsigluð tvísamþætt kísil-perovskite sólarhlöð. Rannsakaðar voru þrjár mismunandi blendings-perovskitesamsetningar og gæði þeirra metin útfrá röntgen-bygjubognunar rófi og stærð orkugeilar. Mestaorkunýtnin, 18%, fékkst í möttu sólarhlaði með gull-rafskautum. Sama samsetning var síðan notuð tilað smíða hálfgagnsætt hlað þar sem gull-rafskautunum var skipt út fyrir indium tinoxíð. Með þeimhætti fékkst 12.3% orkunýtni.