Light induced water splitting using multijunction thin film silicon solar cells

Urbain, Felix; Rau, Uwe; Jaegermann, Wolfram

doi:1866-1793

Light induced water splitting using multijunction thin film silicon solar cells = Silizium-Mehrfachstapelsolarzellen für die lichtinduzierte Wasserspaltung

Urbain, Felix

2016

VerantwortlichkeitsangabeFélix Urbain

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfang1 Online-Ressource (ix, 174, XLIV Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-148-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment ; 323

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor) ; Jaegermann, Wolfram (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-053593
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660412/files/660412.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660412/files/660412.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
silicon (frei) ; water splitting (frei) ; solar cells (frei) ; solar fuels (frei) ; hydrogen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Es ist allgemein anerkannt, dass die Reserven der fossilen Brennstoffe nicht ausreichen um die Energienachfrage heutiger Gesellschaften auch in Zukunft abdecken zu können. Nicht einmal im Falle einer Stagnation des Energieverbrauchs auf heutigem Stand. Das Ausmaß des Problems ist ebenfalls mit der Emission des CO2 Treibhausgasesverbunden, welches bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ensteht und zuunvorhersehbaren Klimaveränderungen auf der Erde führen kann. Die natureigenenProzesse zur Brennstoffgewinnung basierend auf Biomassennutzung werden ebenfallsals nicht effizient genug angesehen um die verbrauchtenen Ressourcen kurzfristigaufzufüllen. Um diesem Dilemma zu entgehen, ist ein Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen deshalb unabdingbar. Erneuerbare Energien ohne Kohlenstoff aus Wind und Sonnenlicht sind potenziell in der Lage mit fossilen Brennstoffen zu konkurrieren oder sie künftig sogar vollständig zu ersetzen um so eine nachhaltige Energieversorgung zu garantieren. Jedoch fehlt es diesen fluktuierenden Energiequellen noch an geeigneten und effizienten Speichertechnologien.Eine Möglichkeit besteht darin, den Solarstrom nach dem Prinzip der künstlichenPhotosynthese direkt zur Spaltung von Wasser einzusetzen. Bei diesem umweltschonenden Energiekonzept wird die Sonnenenergie in Wasserstoff umgewandelt, ein gut speicherbarer und chemisch reiner Energieträger mit einer hohen gravimetrischen Energiedichte. Für den wirtschaftlichen Betrieb müssen die Kosten und der Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung jedoch noch weiter verbessert werden. In diesem Zusammenhang stellt die Verwendung von Halbleiterbauelementen zur direkten Nutzung von Sonnenlicht zur photoelektrochemischen Generation von Wasserstoff aus Wasser einen vielversprechenden und eleganten Weg dar. Um Wasser effizient photoelektrochemisch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, muss dabei die Halbleiter-Photoelektrode vielfältige Voraussetzungen erfüllen: - Erzeugung einer Spannung am Arbeitspunkt von ca. 1,6 V um die Wasserstoff-und die Sauerstoffentwicklungsreaktionen zu treiben und zusätzliche Verluste,sogenannte Überspannungen, zu kompensieren, - hohe Quantenausbeute für die effiziente Nutzung des Sonnenspektrums zurGeneration von Ladungsträgern, - elektrochemische Stabilität unter stark korrosiven Bedingungen und - schnelle Kinetik des Ladungstransfers an der fest/flüussig-Grenzfläche um ungewollte Neben- und Rekombinationsreaktionen zu verhindern (Katalyse). Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit speziell ausgelegte Mehrfachstapelzellen auf der Basis von amorphen und mikrokristallinen Silizium-Absorbern hergestellt und untersucht. Der hierfür gewählte Ansatz weicht dabei von vorangegangenen Untersuchungen an Dünnschicht-Silizium Solarzellen ab und orientiert sich starker an der Entwicklung von speziell für die Wasserspaltung geeigneten Bauelemente mit hoher Ausgangsspannung. Es werden daher die Prozessschritte beschrieben welche für die Entwicklung hoher Photospannungen notwendig sind. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Herstellungsparameter der intrinsichen Absorberschichten gelegt. Als erstes steht das Anpassen der opto-elektronischen und strukturellen Eigenschaften der intrinsichen amorphen und mikrokristallinen Absorberschichten mit anschließender Implementierung in Einfachsolarzellen im Vordergrund. Der zweite Schritt besteht darin die entwickelten Einfachzellen in Mehrfachstapelzellen zu integrieren. Die Photospannung und die Stromdichte der Stapelsolarzellen werden dabei durch das Anpassen der Prozessparameter und der intrinsichen Absorberschichtdickeoptimiert. Eine Anpassung der Stromdichten in den verschiedenen Einzelzellen wird außerdem durch das Einfügen von reektierenden mikrokristallinen Siliziumoxid Zwischenschichten gewährleistet. Durch den mehrschichtigen seriellen Aufbau der Solarzellen können hohe Ausgangsspannungen zwischen 1,5 V und 2,8 V erreicht werden mit photovoltaischen Wirkungsgraden von über 11,5 Prozent für Tandem- und von über 13,0 Prozent für Dreifach- und Vierfachzellen. Diese Kennwerte ermöglichen eine effizient betriebene Photoelektrolyse. Darüberhinaus, wird ebenfalls auf den Einuss von langanhaltender Belichtung und von Temperaturschwankungen auf die photovoltaischen Parameter der Solarzellen eingegangen.Für die Anwendung der entwickelten Mehrfachstapelzellen als Photokathoden in photoelektrochemischen Bauelementen zur Wasserspaltung spielt die Solarzelle/Elektrolyt Grenzfläche eine entscheidende Rolle. Zur Minimierung von Verlusten und korrosiven Nebenreaktionen werden die chemische und elektronische Oberflächenstruktur in geeigneter Weise durch Schutzschichten und Katalysatoren modifiziert. Hierdurch können nicht nur die Material- und Herstellungskosten reduziert werden, sondern auch der Wirkungsgrad integrierter photoelektrochemischer Bauelemente deutlich gesteigert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Rekord-Gesamtwirkungsgrad von 9,5 Prozent erreicht, ein Wert der die Effizienz entsprechender Bauelemente auf Silizium-Basis deutlich übersteigt. Der bisherige Rekordwert lag bei 7,8 Prozent.

It has been widely recognised that fossil fuel reserves are not sufficient to cover the energy demand of our societies in the future, even if the energy utilisation would stagnate on today's level. The extent of the problem is also associated with the emission of the greenhouse gas CO2 upon combustion of fossil fuels that can lead to unpredictable climate changes on earth. Nature's own processes of fuel generation based on biomass utilisation are considered to be not efficient enough to replenish the used resources on a short time scale. To relieve this predicament, a transition from fossil fuels to renewable energy sources is therefore imperative and unavoidable. Renewable and carbon-free energy from wind and solar radiation are the only means which can fully replace fossil fuels and are able to cover an increasing energy demand in the future. But up to now, these uctuating energy resources lack an appropriate and efficient storage technology.Light induced water splitting, a process that mimics natural photosynthesis, provides a viable example of an ecofriendly energy concept as it converts solar energy into a storable and clean chemical fuel with a high gravimetric energy density, namely hydrogen. To be competitive with fossil fuels or hydrogen production by other means, this process must however become highly efficient and low-cost. In this regard, the utilisation of semiconductor based devices for the photoelectrochemicalgeneration of hydrogen from water and sunlight is a promising and elegant means to store renewable energy and has been attracting considerable interest among research groups worldwide. To split water efficiently into its components hydrogen and oxygen the semiconductor photoelectrode has to meet several requirements: - A high quantum efficiency to utilise the solar spectrum efficiently for the generation of charge carriers, - The generation of a photovoltage at the working point of approx. 1.6 V to sustain the hydrogen and oxygen evolution reactions and to account for additional losses (overpotentials),- Electrochemical stability in a harsh and corrosive environment, and - Fast kinetics of the charge transfer at the solid/liquid junction to inhibit unintended side reactions (catalysis). For this purpose, particularly designed multijunction solar cells on the basis of hydrogenated amorphous (a-Si:H) and microcrystalline silicon (μc-Si:H) were developed and characterised in this work. The chosen approach deviates from previous studies on thin film silicon solar cells and focused more on the development of efficient high voltage devices, suitable for water splitting applications. Therefore, a development route has been described to achieve high photovoltages with emphasis on the optimal fabrication parameter regimes for the intrinsic absorber layers. Firstly, the adjustment of the opto-electronic and structural properties of the intrinsic a-Si:H and μc-Si:H silicon absorber layers and their implementation in single junction solar cells were investigated. Secondly, the single junction solar cells were implemented in multijunction solar cells, which were optimised in terms of photovoltage and photocurrent by varying the process parameters and thickness of the intrinsic absorber layers. The photocurrents of the individual sub cells were additionally adjusted by integrating microcrystalline silicon oxide as intermediate reflecting layers. It was found that the electronic properties of the individual series-connected sub cells can be adjusted to systematically tune the photovoltage between 1.5 V and 2.8 V with photovoltaic conversion efficiencies over 11.5 % for tandem and over 13.0 % for triple and quadruple junction cells. This allows for an efficient and bias-free water splitting process. Furthermore, the effects of prolonged illumination and temperature variation on the photovoltaic parameters of the multijunction solar cells were investigated.For the application of the developed high voltage multijunction solar cells as photocathodes in photovoltaic-electrochemical cell (PV-EC) devices for water splitting, special attention needed to be devoted to the solar cell/electrolyte interface. Therefore, the chemical and electronic surface structure of the solar cells was manipulated by protective coatings and catalysts in order to minimise corrosion damage and overpotential losses, respectively. By this means, not only the material andfabrication costs were reduced but also the overall solar-to-hydrogen efficiency of the integrated photoelectrochemical devices was significantly increased. A record efficiency of 9.5 % was achieved, which outperforms all other thin film silicon based devices, as the former record was 7.8 %.Modeling the integrated PV-EC system in terms of a series connection of a solar cell and an electrolysis cell showed excellent agreement with the experimental results. It was shown that the model can be used to analyse the relevant losses in the system and allows for a prediction of the efficiency limits for thin film silicon based water splitting devices based on the solar cell performance.

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