Closing the Efficiency Gap Between Lab-produced Organic Solar Cells and Roll-to-Roll Printed Modules

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-01-09
Issue Year
2017
Authors
Lucera, Luca
Editor
Abstract

Printed photovoltaics technologies saw in the past years an increasing interest in the scientific and industrial communities due to their unique selling points, such as semitransparency, flexibility, easiness of process and relatively high efficiencies. However, a substantial efficiency gap (up to 40%) is usually reported between hero, lab prepared solar cells and large area, roll-to-roll produced modules. In this work we focus on understanding the losses mechanisms via optical and electrical simulations, developing design rules to increase the performances of printed solar modules. Together with the experimental verification of the findings, we show a successful approach for the design of green formulations to allow the proper microstructure formation of the photoactive layer on large area substrates, yielding no additional losses. Finally entirely solution processed modules employing organic semiconductors are presented. The employment of green formulations, together with processing methods roll-to-roll compatible, ultra-fast laser structuring and a module design minimizing the electrical losses yields high efficient modules, with PCEs up to 90% of the reference devices.

Abstract

Das Interesse von Seitens der Industrie und Wissenschaft in gedruckter Photovoltaik erfuhr in den letzten Jahren bedingt durch attraktive Schlüsseleigenschaften wie Semitransparenz, mechanische Flexibilität, Prozessierbarkeit und hoher Wirkungsgrad einen stetigen Anstieg. Allerdings besteht weiterhin eine hohe Diskrepanz zwischen dem Wirkungsgrad von Bauteilen, die auf Laborskala hergestellt werden (aktive Flächen von wenigen mm2) und Bauteilen, die mit grosser, wirtschaftlich relevanter aktiven Fläche auf Rolle-zu-Rolle gedruckt werden (aktive Flächen von mehreren cm2). Die vorliegende Arbeit erarbeitet zunächst das grundlegende Verständnis von Verlustmechanismen über optische und elektrische Simulationen, um dann Designregeln zur Erhöhung des Wirkungsgrades von gedruckten Solarzellen herauszukristallisieren. Die Kombination von Simulation und Experiment erlaubt einen erfolgreichen Zugang in die Entwicklung umweltfreundlicher Formulierungen ohne negativen Einfluss auf die wichtige Mikrostruktur der photoaktiven Schicht und ohne Einbüßen im Wirkungsgrad. Ein Schlüsselergebnis dieser Arbeit ist die Demonstration von vollständig lösungsprozessierten Solarmodulen basierend auf organischen pi-konjugierten Halbleitern im Rolle-zu-Rolle Maßtab. Neuartige Fortschritte basierend auf umweltfreundlichen Formulierungen, Rolle-zu-Rolle Prozessierung, Laserstrukturierung und einem innovativen Layout von Modulen zur Minimierung von elektrischen Verlusten erlauben eine Erhöhung des Wirkungsgrades von bis auf 90% von Rekordzellen im Labormaßstab.

DOI
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