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Investigation and optimization of hybrid organic/inorganic heterojunction solar cells
2017 & 2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-21
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221456
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/717984/files/717984.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hybrid heterojunction (frei) ; interface engineering (frei) ; organic semiconductor (frei) ; photovoltaics (frei) ; solar cell (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Hybride organisch/anorganische Heterostruktur-Solarzellen sind aus wissenschaftlicher Sicht hochinteressant, da sehr unterschiedliche Festkörper mit verschiedenen Konzepten für Exzitonendynamik und Ladungsträgertransport aufeinandertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hybride Solarzellen basierend auf verschiedenen Kombinationen von organischen und anorganischen Halbleitern untersucht, um den organisch/anorganischen Heteroübergang und seine Funktionsweise in der Solarzelle zu erforschen. Durch photo-elektrische Berechnungen und optische Simulationen wurden die zu erwartenden photovoltaischen Eigenschaften bestimmt und anschließend mit den Charakteristika prozessierter Bauelemente verglichen. Hierbei konnte für alle untersuchten Solarzellentypen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gezeigt werden. Außerdem wurde das theoretische Potenzial dieses Zellentyps ermittelt und zur Bewertung der experimentellen Ergebnisse und der spezifischen Verlustmechanismen herangezogen. Hybride Pentacen/Galliumnitrid-Solarzellen wurden charakterisiert, um die Photostromgeneration in hybriden Solarzellen zu untersuchen. Hybride P3HT/Silizium- und PEDOT:PSS/Silizium-Solarzellen wurden analysiert, um eine Reduzierung des parasitären Elektronendunkelstroms durch den hybriden Heteroübergang zu untersuchen. Das Polymer Spiro-MeOTAD wurde als eine organische Antireflexionsschicht für Silizium in einer hybriden PEDOT:PSS/Silizium-Solarzelle untersucht. Der Aufbau und die Prozessierung der Silizium-basierten hybriden Solarzellen wurde sukzessive optimiert, um die photovoltaischen Eigenschaften der hybriden Solarzellen zu verbessern. Der semi-transparente Vorderseitenkontakt wurde optimiert, um die Absorptionsverluste im Vorderseitenkontakt zu minimieren. Die Siliziumoberfläche wurde durch anisotropes Ätzen strukturiert, um die Reflexionsverluste an der hybriden Grenzfläche zu reduzieren. Verschiedene Rückseitenkontakt-Zwischenschichten wurden untersucht, um die Elektronenextraktion am Rückseitenkontakt zu verbessern. Hierdurch konnte ein sehr guter Wirkungsgrad von 14,3% für die beste hybride Solarzelle erreicht werden.Hybrid heterojunction solar cells are of large scientific interest, because substantially different materials with different exciton dynamics and charge carrier transport are involved. In this work, hybrid solar cells based on different combinations of organic and inorganic semiconductors have been investigated to study the physics of the organic/inorganic heterojunction and its impact on the solar cell performance. The results of photo-electric calculations and simulations have been confirmed by comparing them with the photovoltaic characteristics of processed hybrid solar cells and the theoretical potential of the hybrid solar cells has been estimated to analyze the dominant loss. Hybrid pentacene/gallium nitride solar cells have been studied to investigate the photocurrent generation in hybrid solar cells. Hybrid P3HT/silicon solar cells and PEDOT:PSS/silicon solar cells have been studied to investigate the electron blocking characteristics of the hybrid heterojunction. The polymer Spiro-MeOTAD has been investigated as an organic antireflection coating for silicon in a hybrid PEDOT:PSS/silicon solar cell. Furthermore, the layout and the manufacturing process of the silicon-based hybrid solar cells have been successively optimized to improve the solar cell performance. The semitransparent top contact was optimized to reduce the absorption losses in the top contact. An anisotropic etching of the silicon was applied to structure the silicon surface and, as a result, to minimize the reflection losses at the hybrid interface of the solar cell. Different backside contact interlayers have been investigated to improve the electron extraction at the backside contact. An excellent power conversion efficiency of 14.3% has been achieved for the best performing hybrid solar cell.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019618909
Interne Identnummern
RWTH-2018-221456
Datensatz-ID: 717984
Beteiligte Länder
Germany
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