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

Überwindung des Effizienzverlustes bei der Skalierung organischer Solarzellen vom Labormaßstab zu Rolle-zu-Rolle gedruckten Modulen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-79661
  • 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 ofPrinted 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.show moreshow less
  • 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 undDas 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Luca Lucera
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-79661
Referee:Christoph J. Brabec
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/01/05
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/04/11
Release Date:2017/01/09
SWD-Keyword:Photovoltaik
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht
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