Bifacial monolithisch alle

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: Schematische Darstellung (links) und rasterelektronenmikroskopisches Querschnittsbild (rechts) von bifazialen monolithischen All-Perowskit-Tandems.mehr sehen

Bildnachweis: von Hongjiang Li, Yurui Wang, Han Gao, Mei Zhang, Renxing Lin, Pu Wu, Ke Xiao und Hairen Tan

Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen haben enorme Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da ihre Leistungsumwandlungseffizienz (PCEs) schnell von unter 4 % auf über 25 % ansteigt. Eine weitere Verbesserung der Leistung bei geringen Zusatzkosten ist für die Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen von entscheidender Bedeutung. Einer der vielversprechendsten Wege ist die Einführung der Tandemkonfiguration, um die Shockley-Queisser-Grenze von Einzelsolarzellen zu überwinden.

Durch die Stapelung zweier Absorber mit komplementärer Bandlücke versprechen Tandem-Solarzellen höhere PCEs als ihre Gegenstücke mit Einzelübergang. Perowskite sind für Tandemsolarzellen äußerst wünschenswert. Vollperowskit-Tandemsolarzellen sind aufgrund ihrer geringen Kosten, hohen spezifischen Leistung und Flexibilität vielversprechend.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Hairen Tan von der Universität Nanjing die ersten bifazialen monolithischen Tandemsolarzellen aus Perowskit demonstriert. In ihrer Arbeit „Revealing the Output Power Potential of bifacial monolithic all-perovskite tandem solarcells“ wurde festgestellt, dass ihr Gerät ein deutlich höheres Ausgangsleistungspotenzial hatte.

Monolithische All-Perowskit-Tandems haben sich erheblich verbessert und haben den kürzlich zertifizierten Wert von 28,0 % erreicht. Trotz dieser Fortschritte sind andere Strategien zur Erzielung einer höheren Ausgangsleistungsdichte (OPD) immer noch sehr gefragt, um die Stromgestehungskosten (LCOE) zu senken. Eine weitere wirksame Strategie zur Erhöhung der OPD von Perowskit-Solarzellen besteht darin, die bifaziale Konfiguration zu nutzen. Es ermöglicht einen erheblichen OPD-Gewinn, indem es das Licht nutzt, das die Rückseite der Geräte erreicht, nämlich die Albedo (das reflektierte und gestreute Licht aus der Umgebung).

Unter Verwendung von transparentem leitfähigem Oxid (TCO) als Rückelektroden können bifaziale Perowskit-Solarzellen basierend auf der bewährten monofazialen Konfiguration konstruiert werden. Noch wichtiger ist, dass bifaziale Perowskit-Solarzellen stabiler wären als ihre monofazialen Gegenstücke. Numerische Simulationen zeigen, dass bifaziale Tandemzellen die Vorteile der Tandemarchitektur und des bifazialen Designs übernehmen können. Es würde eine höhere thermodynamische Effizienz ermöglichen als monofaziale Tandems und bifaziale Solarzellen mit einem Übergang.

Bei vorhandener Albedo führt das optimierte Stromanpassungsdesign in monofazialen Tandems zu einer Nichtübereinstimmung in der bifazialen Konfiguration. Der Strom der unteren Subzellen wird mit der Albedo in bifazialen monolithischen Tandems erhöht. Im Vergleich zu einseitigen Tandems reduzieren die hinteren transparenten Elektroden den Strom in den unteren Unterzellen, indem sie eine Übertragung des Lichts ohne Rückreflexion ermöglichen. Die aktuelle Anpassung muss in bifazialen Tandemkonfigurationen neu gestaltet werden.

Das Forschungsteam demonstrierte den Entwurf und die Herstellung von bifazialen All-Perowskit-Tandemsolarzellen unter Verwendung von transparentem leitfähigem Oxid (TCO) als hintere Elektrode. Die Bandlückentechnik der oberen Unterzelle wurde eingesetzt, um eine Stromanpassung bei unterschiedlicher Rückbeleuchtung zu erreichen. Der Einfluss der Albedo auf die Photovoltaik-Parameter und die spektrale Reaktion wurde systematisch untersucht. Die Berechnung des Energieertrags zeigt eine höhere Ausgangsleistungsdichte durch den Einsatz einer bifazialen Architektur unter realen Bedingungen.

Die bifazialen, ausschließlich aus Perowskit bestehenden monolithischen Tandems wurden mithilfe transparenter Rückelektroden demonstriert. Es ermöglicht die Erfassung des Lichts, das auf die Rückseite der Tandems trifft. Die bifazialen Tandems zeigten eine deutlichere Leistungsverbesserung als die monofazialen Tandems. Nur die Bandlücke der oberen Subzelle wurde angepasst, um die aktuelle Anpassung bifazialer Tandems mit Rückbeleuchtung zu erreichen, was für Albedo unter 40 % galt. Bei einer Albedo über 40 % ist die Stromdichte der Tandems gesättigt. Die Forscher schlugen vor, die Bandlücke der oberen Unterzellen weiter zu verringern oder die Bandlücke der unteren Unterzellen zu vergrößern.

Durch die Verwendung von ALD-abgeschiedenem SnO2 und gesputtertem transparentem Leitungsoxid (ITO) als Rückkontakte kann eine Halogenidkorrosion der Rückelektroden vermieden werden. Durch die Reduzierung des Bromidgehalts in der oberen Zelle kann die Halogenidsegregation verringert werden. Bifaziale Tandems zeigten unter realen Bedingungen mit unterschiedlichen Geländebedingungen und unterschiedlichen klimatischen Bedingungen einen erheblichen Energieertragsgewinn. Da die bifazialen All-Perowskit-Tandems darauf abzielen, Licht auf der Rückseite zu sammeln, um die OPD zu steigern, wird erwartet, dass sie im Versorgungsmaßstab anwendbar sind.

Die Forscher stellten fest, dass ihr bifaziales Vollperowskit-Tandem, das auf einem Gitterglassubstrat hergestellt wurde, auch auf einem flexiblen Substrat für ein flexibles bifaziales Vollperowskit-Tandem verarbeitet werden konnte. Klimabedingungen und Gelände wirken sich direkt auf die Intensität und das Spektrum der Albedo aus. Für verschiedene Klimabedingungen und Böden sind maßgeschneiderte bifaziale Tandems mit einer unterschiedlichen Bandlücke der oberen Subzellen erforderlich. Die Solar-Tracking-Technik wird bifaziale Tandems anziehen, um die Albedo zu nutzen. Diese Arbeit zeigt das Potenzial von bifazialen All-Perowskit-Tandems als neue Gerätearchitektur für höhere Ausgangsleistung bei verbesserter Stabilität.

eLight

10.1186/s43593-022-00028-w

Aufdeckung des Ausgangsleistungspotenzials von bifazialen monolithischen Vollperowskit-Tandemsolarzellen

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