dc.contributor.author
Liebhaber, Martin Lutz
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:53:24Z
dc.date.available
2017-03-30T07:32:48.247Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4394
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-8594
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
II, 165, v Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Silicon heterojunction
dc.subject
Hybrid junctions
dc.subject
Multi-exciton generation
dc.subject
Singlet fission
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Silicon heterojunction solar cells: From conventional concepts to a singlet
fission multi-exciton generating hybrid approach
dc.contributor.contact
martin.liebhaber@helmholtz-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Klaus Lips
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Bernd Rech
dc.date.accepted
2017-03-09
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104455-8
dc.title.translated
Silizium-Heterokontakt Solarzellen: Von konventionellen Konzepten zu einem
Singlet Fission multi-Exziton generierenden Hybridzellen Ansatz
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000104455
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000021254
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open access