Advancing charge selective contacts for efficient monolithic perovskite-silicon tandem solar cells

Hybrid organic-inorganic perovskites are one of the most promising material classes for photovoltaic energy conversion. In solar cells, the perovskite absorber is sandwiched between n- and p-type contact layers which selectively transport electrons and holes to the cell’s cathode and anode, respectively. This thesis aims to advance contact layers in perovskite solar cells and unravel the impact of interface and contact properties on the device performance. Further, the contact materials are applied in monolithic perovskite-silicon heterojunction (SHJ) tandem solar cells, which can overcome the single junction efficiency limits and attract increasing attention. Therefore, all contact layers must be highly transparent to foster light harvesting in the tandem solar cell design. Besides, the SHJ device restricts processing temperatures for the selective contacts to below 200°C. A comparative study of various electron selective contact materials, all processed below 180°C, in n-i-p type perovskite solar cells highlights that selective contacts and their interfaces to the absorber govern the overall device performance. Combining fullerenes and metal-oxides in a TiO2/PC60BM (phenyl-C60-butyric acid methyl ester) double-layer contact allows to merge good charge extraction with minimized interface recombination. The layer sequence thereby achieved high stabilized solar cell performances up to 18.0% and negligible current-voltage hysteresis, an otherwise pronounced phenomenon in this device design. Double-layer structures are therefore emphasized as a general concept to establish efficient and highly selective contacts. Based on this success, the concept to combine desired properties of different materials is transferred to the p-type contact. Here, a mixture of the small molecule Spiro-OMeTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’-spirobifluoren] and the doped polymer PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)] is presented as a novel hole selective contact. PEDOT thereby remarkably suppresses charge recombination at the perovskite surface, allowing an increase of quasi-Fermi level splitting in the absorber. Further, the addition of Spiro-OMeTAD into the PEDOT layer is shown to enhance charge extraction at the interface and allow high efficiencies up to 16.8%. Finally, the knowledge on contact properties is applied to monolithic perovskite-SHJ tandem solar cells. The main goal is to optimize the top contact stack of doped Spiro-OMeTAD/molybdenum oxide(MoOx)/ITO towards higher transparency by two different routes. First, fine-tuning of the ITO deposition to mitigate chemical reduction of MoOx and increase the transmittance of MoOx/ITO stacks by 25%. Second, replacing Spiro-OMeTAD with the alternative hole transport materials PEDOT/Spiro-OMeTAD mixtures, CuSCN or PTAA [poly(triaryl amine)]. Experimental results determine layer thickness constrains and validate optical simulations, which subsequently allow to realistically estimate the respective tandem device performances. As a result, PTAA represents the most promising replacement for Spiro-OMeTAD, with a projected increase of the optimum tandem device efficiency for the herein used architecture by 2.9% relative to 26.5% absolute. The results also reveal general guidelines for further performance gains of the technology.
Hybride, organisch-anorganische Perowskite gelten als eine der vielversprechendsten Materialklassen für die photovoltaische Energieumwandlung. Dazu werden Perowskit-Absorber in Solarzellen zwischen n- und p-Typ Kontaktschichten angeordnet, die Elektronen oder Löcher selektiv zur Kathode bzw. Anode der Zelle transportieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die ladungsselektiven Transportschichten in Perowskit-Solarzellen zu verbessern und Einflüsse der Grenzflächen- und Kontakteigenschaften auf die Zelleffizienz herauszustellen. Darüber hinaus werden die selektiven Schichten in monolithischen Perowskit-Silizium-Heterokontakt (SHK) Tandem-Solarzellen eingesetzt. Diese können höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen erzielen und erfahren zunehmende Aufmerksamkeit aus der Forschung. Hierfür müssen alle Kontaktschichten hochtransparent sein, um eine möglichst effiziente Lichtausnutzung im Tandem-Solarzellen-Design zu erzielen. Des Weiteren limitiert die SHK-Solarzelle die höchst mögliche Temperatur zur Abscheidung der selektiven Kontakte auf 200°C. In einer Vergleichsstudie werden deshalb zunächst verschiedene elektronenselektive Kontaktmaterialien, die alle unter 180°C prozessiert werden, in n-i-p-Typ Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Es zeigt sich hierbei, wie wesentlich die selektiven Kontakte und ihre Grenzflächen zum Absorber die Effizienz der Solarzellen bestimmen. Eine Kombination aus Fulleren und Metalloxid in einem TiO2/PC60BM (Phenyl-C60-Buttersäuremethylester) Doppelschichtkontakt ermöglicht dabei eine besonders gute Ladungsextraktion und stark reduzierte Grenzflächenrekombination. Die Materialzusammenstellung erreicht in der Studie hohe stabilisierte Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,0% und eine vernachlässigbare Strom-Spannungs-Hysterese, ein üblicherweise ausgeprägtes Phänomen in diesem Zellaufbau. Das Ergebnis stellt Doppelschicht-Strukturen als generelles Konzept zur Herstellung effizienter und hochselektiver Kontakte heraus. Basierend auf diesem Erfolg wird das Konzept, Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu kombinieren, anschließend auf den p-Typ Kontakt übertragen. Dazu wird ein neuartiger lochselektiver Kontakt vorgestellt, bestehend aus einer Mischung des kleinen Moleküls Spiro-OMeTAD [2,2‘7,7‘-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9‘-spirobifluoren] und dem dotierten Polymer PEDOT [poly(3,4-ethylendioxythiophen)]. PEDOT unterdrückt dabei bemerkenswerter Weiße die Ladungsträgerrekombination an der Perowskit-Grenzfläche, wodurch eine Erhöhung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung im Absorber erzielt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass die Zugabe von Spiro-OMeTAD in die PEDOT-Schicht die Lochextraktion an der Grenzfläche verbessert und folglich hohe Solarzellenwirkungsgrade von bis zu 16,8% ermöglicht. Schließlich wird das gewonnene Wissen über die Bedeutung der Kontakt- und Grenzflächeneigenschaften auf monolithische Perowskit-SHK-Tandemsolarzellen angewandt. Das Hauptziel dabei ist die Optimierung des oberen Kontaktstapels, bestehend aus dotiertem Spiro-OMeTAD/Molybdän Oxid (MoOx)/ITO, hin zu verbesserter Transparenz. Zwei verschiedene Ansätze werden hierzu verfolgt. Erstens, durch Feinanpassung der ITO-Abscheidung kann eine chemische Reduktion von MoOx verringert und die Transmission von MoOx/ITO-Schichtstapeln um 25% erhöht werden. Zweitens: Durch Ersetzen des Spiro-OMeTAD mit alternativen, transparenteren Lochtransportmaterialien sollen parasitäre Absorptionsverluste vermieden werden. Als potentielle Lochkontakte werden dabei PEDOT/Spiro-OMeTAD-Mischungen, CuSCN und PTAA [Poly(triarylamin)] analysiert. Experimentelle Untersuchungen liefern optimierte Dicken der Lochkontakt und MoOx Schichten und dienen der Validierung optischer Simulationen der Schichtstapel. Dies erlaubt im Folgenden eine realistische Abschätzung der maximal erreichbaren Tandemsolarzelleneffizienzen. Dabei stellt PTAA den vielversprechendsten Ersatz für Spiro-OMeTAD dar, mit einer prognostizierten Erhöhung des erreichbaren Tandem-Solarzellenwirkungsgrad um 2,9% relativ auf 26,5% absolut. Die Ergebnisse stellen zudem einen Leitfaden zur weiteren Effizienzsteigerung der Tandemsolarzellen-Technologie dar.