Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
SnOx electron selective layers for perovskite/silicon tandem solar cells using atomic layer deposition
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
SnOx elektron selektiv lager för perovskit/tandem kiselsolceller och atomlager deposition (Swedish)
Abstract [en]

In this work the application of ALD deposited SnOx films as electron transport layers in perovskite solar cells is analysed. Processes to fabricate homogeneous, transparent and conductive tin oxide films were developed on an Oxford Instruments FlexAL tool using a TDMASn precursor and H2O as oxidiser. Two process regimes were investigated; an ALD regime, where the precursor gases are fully separated by long purging steps and a pulsed-CVD regime, where short purge times allow for continuous reactions. Both process regimes were analysed at deposition temperatures from 100 – 250°C and showed a decrease in growth rate with an increase in refractive index for higher temperatures. In terms, of optical properties highly transparent films in the visible range (> 80%) were obtained for all analysed processes. The samples with the lowest absorption were SnOx films deposited at low temperatures in the pulsed-CVD regime. Films with low absorption also exhibited improved conductivity in the range of 200 – 500 Ωcm, which decreased further when the samples were heated. All investigated films were amorphous with a tin rich atomic composition of SnOx. The processes were performed to be compatible with n-i-p and inverted perovskite single junction solar cells as well as tandem devices on textured silicon bottom cells, due to conformal coating at low deposition temperatures and no need for thermal annealing steps.

For the application on cell level, perovskite single junction solar cells in a n-i-p architecture were fabricated with a ~15 nm SnOx film as electron transport layer. To improve electron extraction properties different organic interlayers and mesoporous TiO2 were investigated below the perovskite absorber. It was seen that the use of PCBM on top of SnOx improved the solar cell performance of devices with a co-evaporated MAPbI3 absorber. Solar cells with efficiencies close to 6% were fabricated which exhibited a moderately high Voc of ~990 mV but low Jsc of < 10 mA/cm². For devices with wet-chemically deposited perovskite absorber materials, the fullerene solutions did not form a closed film due to wettability issues on SnOx and the risk of washing away by the spin-coated perovskite solution. SEM-images confirmed that no closed interlayers were formed in the wet-chemical devices which could be the cause of poor reproducibility for devices with a planar structure and SnOx as electron contact. The best performing device was achieved with SnOx and mesoporous TiO2 deposited by spin-coating and a MAPbI3 absorber. It showed a mean PCE from forward and reverse scans of 12.8% with a Voc > 990 mV and a Jsc close to 20 mA/cm². Compared to the TiO2 reference cells the devices using SnOx showed lower efficiencies but improved reproducibility and reduced hysteresis in the mesoporous structure. The produced cells serve as an initial proof of concept for the use of SnOx by ALD in the analysed solar cell structure. 

To analyse the potential for commercialisation of perovskite based photovoltaic technologies a techno-economic analysis was performed. Taking into account up-scaled manufacturing processes for perovskite modules, manufacturing costs of 21.0 $/m² were calculated. This cost is below the calculated allowed extra costs for the top cell of a tandem device with 30 % efficiency, estimated at 30 – 80 $/m². Projections of the LCOE showed that perovskite single junction cells with a PCE of 15% and a lifetime of 25 years could achieve an LCOE of 5.2 c/kWh. For two-terminal tandem devices with a similar lifetime and an efficiency of 27% an LCOE of 6.6 c/kWh could potentially be achieved, making both technologies competitive with conventional energy technologies in Germany. An overview of literature on life cycle assessments showed that despite the use of lead based absorber materials, perovskite technologies have a minor environmental impact and are considered more sustainable than other photovoltaic technologies.

Abstract [sv]

A I detta arbete appliceringen av ALD deponerade SnOx lager som selektiv kontakt till elektronerna perovskite solceller är analyserad. Processer för att fabricera homogena, transparenta och ledande SnOx lager utvecklades med en Oxford Instruments FlexAL med användnig av TDMASn gas och H2O. Två typer av processer analyserades; en ALD process, där dem reaktiva gaser är helt sepererade av långa rensande steg och en pulsed-CVD process, där korta rensningstider tillåter kontinuerliga reaktioner. Båda processer analyserades vid despositionstemperaturer från 100 till 250°C och visade en minsknig i tillväxtakten med en ökning i refractive index för högre temperaturer. Gällande optiska egenskaper, väldigt transparenta lager i det synliga området (> 80%) blev erhållna för alla analyserade processer. De proven med den lägsta absorptionen var SnOx filmer vid låga temperaturer i pulsed – CDV regimer. Lager med en låg absorption uppvisade ochså förbättrad ledningsförmåga inom intervaller från 200 – 500 Ωcm, som minskade ännu mer när proven blev uppvärmda. Alla utrettade lager var amorfisk med en hög andel tenn i SnOx. Procceserna genomfördes för att vara kompatibel med n-i-p och p-i-n perovskite solceller samt tandem apparater på texturerad kisel bottenceller, på grund av enhetlig beläggning vid låga depositionstemperaturer och inget behov av termisk behandling i efterhand.

För applikationen på cellnivå, perovskite solceller i en n-i-p konstruktion tillverkades med ett ~15 nm SnOx  lager som selektiv kontakt till elektronerna. För att förbättra kontakten olika naturliga mellanskikter och mesoporös TiO2 undersöktes under det perovskite lagret. Det sågs att användnigen av PCBM på SnOx förbättrade funktionen av solcellerna av apparater med en dunstad MAPbI3 absorbator. Solceller med effektivitet nära 6% tillverkades, som ledde till en medelmåttligt hög Voc vid ~990 mV men låg Jsc vid < 10 mA/cm². För apparater med perovskite deponerade vid spin-coating, fullerene-lösningen bildade inget stängt lager på grund av vätningsproblem på SnOx och risken att tvätta bort den spin-coated perovskite lösningen. SEM-bilder bekräftade att inga stängda mellanskikter bildades i dem våtkemiska apparater. Det skulle kunna vara grunden till den dåliga reproducerbarheten av apparater med  en platt struktur och SnOx som selektiv kontakt till elektronerna. Den apparaten som uppträdde bäst uppnåddes med SnOx och mesoporös TiO2 deponerade vid spin-coating och en MAPbI3 absorbator. Det visade en genomsnittlig verkningsgrad av 12,8% med Voc > 990 mV och Jsc nära 20 mA/cm². I jämförelse med TiO2 referensceller, dem apparatener som använde SnOx visade lägra effektivitet men förbättrat reproducerbarhet och minskad hysteresis i den mesoporösa strukturen. Dem producerade celler tjäna som första bevis av konceptet för användningen av SnOx vid ALD i den analyserade strukturen av solcellerna. 

För att analysera potentialen av kommersialiseringen av perovskite baserade photovoltaiv tekniker en ekonomisk analys genomfördes. Att ta med i beräkning storskalig tillverkningsprocesser till perovskite moduler, tillverkningskostnader vid 21.0 $/m² kalkulerades. Denna kostnad är under dem kalkulerade tillåtna extra kostnader till toppcellen av en tandem apparat med 30% effektivitet, beräknad vid 30 – 80 $/m². Projektioner av LCOE visade att perovskite celler med en verkningsgrad vid 15% och en livstid på 25 år skulle kunna uppnå ett LCOE vid 5.2 c/kWh. Två-terminal tandem apparater men en liknande livstid och en effektivitet vid 27% ett LCOE vid 6.6 c/kWh skulle potentiellt kunna bli uppnått, om man gjorde båda tekniker konkurrenskraftiga med andra energitekniker i Tyskland. En översikt av litteratur om livscykelanalyser visade att, trots användningen av blybaserad absorbtionsmaterial, perovskite tekniker har en låg miljöpåverkan och anses vara mer hållbart än andra foltovoltaisk tekniker. 

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 80
Series
TRITA-ITM-EX 2018 ; 616
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-245992OAI: oai:DiVA.org:kth-245992DiVA, id: diva2:1294846
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-03-08 Created: 2019-03-08 Last updated: 2019-03-08Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3349 kB)32 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3349 kBChecksum SHA-512
fe7c9490ae8748a0bd9d4b34755fbb925723562d365f3a584867e4aa6056feea4ecc079ddc169ccbe49fcad97549f1b64dd7d235358158e6dad1b5334b8d1672
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 32 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 85 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf