The photovoltaic (PV) market is dominated by crystalline Si (c-Si) based solar cell technologies. Device efficiencies >26%, already close to the theoretical single-junction limit of ~30%, have been reported. The work in this thesis aims to further reduce the costs of electricity of the already mature c-Si based PV technology by (i) increasing the efficiency by the incorporation of wide band gap contact layers, (ii) reducing costs by exploring new contact materials that can be processed at lower cost, and (iii) the implementation of multi-exciton generating (MEG) layers, thus featuring the potential to overcome the single-junction limit by reducing thermalization losses. One possibility to improve highly efficient conventional Si heterojunction (SHJ) solar cells is to reduce parasitic absorption in the thin, hydrogenated amorphous Si (a-Si:H) layers by using wider band gap materials. In this work Si suboxides (a-SiOx:H) within the full stoichiometry range were investigated. A continuous increase of the valence band offset (∆EV) starting from ~0.3 eV for the a-Si:H/c-Si to >4 eV for the a-SiO2/c-Si heterointerface is determined. A decrease in SHJ solar cell fill factor coinciding with increasing ∆EV at the a-SiOx:H/c-Si interface is observed. The reason is an increasing barrier height for holes at the SHJ and a simultaneous change of the hole transport mechanism from thermionic emission to tunneling processes. Furthermore, it is demonstrated that as compared to a single layer, larger barrier heights can be tolerated in a stack of high band gap materials and a material with lower band gap, forming a "staircase" of band offsets. This may allow the application of wider band gap Si alloys in SHJ solar cells. As an alternative hole selective contact to conventional inorganic SHJs, the highly conductive polymer PEDOT:PSS is a promising organic material forming a hybrid p+n-heterojunction with n-type c-Si. The use of PEDOT:PSS is technologically interesting because it is cheaply solution processed. Hybrid PEDOT:PSS/c-Si/a-Si heterojunction solar cells with efficiencies up to 14.8% and high open-circuit voltages (Voc) exceeding 660 mV are fabricated. A recombination velocity at the PEDOT:PSS/c-Si interface of ~400 cm/s is estimated. Device and spectroscopy results indicate the formation of an interfacial, sub-stoichiometric and moderately passivating SiOx layer at the c-Si surface. This limits Voc. For planar devices with an optimal PEDOT:PSS layer thickness of 80 nm, optical simulations quantify significant photocurrent losses of 11.2 mA/cm2 due to reflection at the hybrid layer stack and 4.6 mA/cm2 related to parasitic absorption in the polymer. The results emphasize the importance of (i) an improved hybrid interface passivation quality, and (ii) an optimized light management to further increase PEDOT:PSS/c-Si device efficiencies. A promising MEG concept is to take advantage of the singlet fission (SF) process in thin film tetracene (Tc) implemented on top of c-Si absorbers. In such a device high energy photons deposit their energy in the Tc film as singlet excitons. One singlet is then converted via SF into two triplets of lower energy. In order to contribute to the overall photocurrent, triplet excitons have to diffuse to an appropriate interface to be dissociated into free charges there. In the device concept presented in this thesis, Tc is incorporated in between the hole selective PEDOT:PSS and the c-Si main absorber. Hybrid solar cells yield efficiencies above 10%. The constant Voc of ~645 mV independent of Tc surface coverage indicates a sufficiently good Tc/c-Si interface passivation. Efficient hole extraction from the c-Si absorber for application relevant Tc layer thicknesses up to ~100 nm is demonstrated. However, based on delayed fluorescence measurements, no evidence for triplet harvesting at the Tc/c-Si interface is given. This is in accordance to external quantum efficiency (EQE) spectra which reveal an "optical filter effect" of Tc incorporated in hybrid devices. Optical modeling of the EQE may indicate a small Tc contribution with MEG efficiency of ~10%. Such small effects, which are not clearly resolvable within an EQE analysis, require (i) more sensitive experimental analyzing methods, and (ii) further work on interface modifications to be conducted in future.
Die Photovoltaikbranche (PV) wird von Technologien basierend auf kristallinem Silizium (c-Si) dominiert. Solarzellenwirkungsgrade >26% nahe des theoretischen Einfachzellenlimits von ~30% wurden bereits erzielt. Ziel dieser Arbeit ist es die Stromerzeugungskosten der bereits ausgereiften c-Si basierten PV Technologie weiter zu senken. Dazu wurden drei Strategien verfolgt: (i) Effizienzsteigerung durch Implementierung von Kontaktschichten aus Materialien mit größerer Bandlücke. (ii) Produktionskostensenkung durch die Erforschung von neuartigen und kostengünstigeren Kontaktschichten. (iii) Verwendung von multi-Exziton generierenden (MEG) Schichten. Hierbei kann durch geringere Thermalisationsverluste das Einfachzellenlimit theoretisch übertroffen werden. Durch die Implementierung von Materialien mit größeren Bandlücken können Absorptionsverluste in den dünnen, hydrogenisierten amorphen (a-Si:H) Schichten verringert werden, was die Effizienz konventioneller hocheffizienz Si-Heterokontakt (SHJ) Solarzellen steigern kann. In dieser Arbeit wurden Si-Suboxide (a-SiOx:H) mit Stöchiometrien 0 < x 2 untersucht. Stetig steigende Valenzband-Diskontinuitäten (∆EV), beginnend bei ~0,3 eV für den a-Si:H/c-Si bis >4 eV für den a-SiO2/c-Si Heterokontakt, wurden bestimmt. Einhergehend mit steigender ∆EV wurden sinkende Füllfaktoren an SHJ Solarzellen gemessen. Grund dafür ist eine erhöhte Transportbarriere für Löcher an der SHJ und eine damit einhergehende Änderung des zugrundeliegenden Ladungstransportmechanismus von thermionischer Emission hin zu Tunnelprozessen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass -im Vergleich zu einem einfachen Heterokontakt- durch einen Mehrschicht-Heterokontaktstapel mit abgestuften Banddiskontinuitäten höhere Barrieren toleriert werden können. Dieser Ansatz könnte den Einsatz von Si Verbindungen mit größeren Bandlücken in SHJ Solarzellen ermöglichen. Das hochleitfähige Polymer PEDOT:PSS ist eine vielversprechende Alternative zu konventionellen anorganischen Lochkontakten. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich ein hybrider p+n-Heterokontakt zwischen PEDOT:PSS und n-dotierten c-Si ausbildet. Die Prozessierung von PEDOT:PSS ist billig und lösungsmittelbasiert, was es zu einem vielversprechenden Material für die Solarzellenfertigung macht. Hybride PEDOT:PSS/c-Si/a-Si Heterokontakt- Solarzellen mit Wirkungsgraden bis zu 14,8% und hohen Leerlaufspannungen (Voc) über 660 mV wurden hergestellt. Die Rekombinationsgeschwindigkeit an der PEDOT:PSS/c-Si Grenzfläche konnte auf ~400 cm/s geschätzt werden. Zell- und Spektroskopieergebnisse deuten auf die Ausbildung einer sub-stöchiometrisch und moderat passivierenden SiOx Grenzflächenschicht an der c-Si Oberfläche hin, was Voc limitiert. Durch optische Simulationen an planaren Zellstrukturen konnten signifikante Photostromverluste von 11,2 mA/cm2 durch Reflektion am hybriden Schichtstapel und 4,6 mA/cm2 auf Grund parasitärer Absorption im Polymer quantifiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass (i) eine verbesserte Grenzflächenpassivierung und (ii) ein optimiertes Lichtmanagement sichergestellt werden müssen um PEDOT:PSS/c-Si Zellwirkungsgrade weiter zu verbessern. Ein vielversprechender MEG Ansatz ist die Ausnutzung des Singlet Fission (SF) Prozesses in dünnen Tetrazen (Tc) Schichten. Singlet Exzitonen werden durch Absorption hochenergetischer Photonen im Tc erzeugt. Durch SF werden aus einem Singlet zwei Triplets niedrigerer Energie generiert. Um zum Zellgesamtstrom beizutragen müssen Triplets zu einer geeigneten Grenzfläche diffundieren und dort in freie Ladungen aufgespaltet werden. In dem in dieser Arbeit verfolgten Ansatz wird Tc zwischen dem Loch selektiven PEDOT:PSS Vorderseitenkontakt und dem c-Si Hauptabsorber integriert. Hybride Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad von über 10% auf. Die konstante Voc von ~645 mV, unabhängig vom Tc Oberflächenbedeckungsgrad, deutet auf eine ausreichend gute Tc/c-Si Grenzflächenpassivierung hin. Es wurde gezeigt, dass im c-Si Absorber generierte Löcher bis zu einer anwendungsrelevanten Tc Schichtdicke von ~100 nm effizient am Vorderseitenkontakt extrahiert werden können. Zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen ergaben jedoch keinen Hinweis auf Tripletspaltung an der Tc/c-Si Grenzfläche. Dies ist in Übereinstimmung mit externen Quanteneffizienz (EQE) Spektren, in welchen ein "optischer Filtereffekt" der in hybriden Zellen integrierten Tc Schichten beobachtet wurde. Optische Modellierung der EQE- Spektren deuten auf einen geringen Tc Beitrag mit einer MEG Effizienz von ~10% hin. Derart kleine Effekte können jedoch nicht eindeutig in einer EQE-Analyse aufgelöst werden. Deshalb müssen in zukünftigen Experimenten sensitivere Messmethoden angewendet werden. Die Untersuchung von potentiellen Grenzflächenmodifikationen für eine effiziente Tripletspaltung ist unumgänglich.
