Eliminating Interface Losses in
Perovskite Single Junctions for
Efficient Tandem Solar Cells
vorgelegt von
M. Sc.
Amran Al-Ashouri
ORCID: 0000-0001-5512-8034
an der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
– Dr. rer. nat. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Bernd Szyszka
Gutachter: Prof. Dr. Steve Albrecht
Gutachter: Prof. Dr. Bernd Rech
Gutachterin: Prof. Dr. Yana Vaynzof (TU Dresden)
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 29. Juni 2021
Berlin 2021
This is the electronic version of the cumulative thesis, in single-page format and containing
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plementary materials that were the basis of this work are reprinted with permission in the appendix
(two articles as published, one as accepted version).
Abstract
Perovskite-based tandem solar cells have the potential to surpass single junction effi-
ciency limits at low costs and to further spur the expansion of solar energy. This thesis
deals with the optimization of tandem-relevant perovskite solar cells (PSCs), by mitiga-
tion of interfacial power losses between perovskite and charge-selective layers. A key
theme in this work is the establishment of hole-selective self-assembled monolayers
(SAMs), which can functionalize oxide surfaces in a self-limiting process with precise
control. This enabled a simple and robust PSC structure with power conversion efficien-
cies of over 21% with single junction cells, over 24% with perovskite/CIGSe tandem so-
lar cells and over 29% with perovskite/silicon tandem solar cells. It furthermore enabled
studies on device-relevant model systems to gain understanding about optimal charge-
selective layer design, characterization of charge extraction and stability enhancement.
The gains in efficiency were rationalized by photoluminescence studies, both with ab-
solute calibration for quantifying the voltage gains at the interfaces and with time
resolution to investigate the charge carrier dynamics. By employing a combination of
photoluminescence, solar cell characteristics and measurements of the energetic align-
ment between hole-selective layer and perovskite, we identified the energetic offset
between the hole-accepting energy level of the SAM and the perovskite valence band
maximum as the critical parameter that determined the open-circuit voltage (𝑉OC) of
the solar cell. One of the studied SAMs, a carbazole unit attached to ethylphospho-
nic acid (2PACz), has shown optimal energetic alignment and minimal non-radiative
recombination losses, rendering a “lossless” interface and enabling a 𝑉OC of 1.19 V at
1.63 eV bandgap, without interlayers, dopants or additives. By using the SAM on rough
CIGSe as hole-selective layer for the perovskite top cell, we have shown a certified
23.3%-efficient, monolithic perovskite/CIGSe tandem solar cell with 1 cm2active area,
which surpassed the previous record in size and efficiency (22.4% on 0.04 cm2), demon-
strating how SAMs can simplify cell fabrication. Further optimization with a focus on
the fill factor, the only parameter where best perovskite solar cells still lack behind
mature solar cell technologies, led to the finding that a methyl-substituted carbazole-
based SAM (Me-4PACz) considerably enhanced the hole-extraction speed and thus the
fill factor (up to 84%), while keeping the high-𝑉OC feature of 2PACz. By combining tran-
sient photoluminescence with photoconductivity measurements and solar cell data, we
identified that the hole-selective interface was limiting the fill factor in p-i-n PSCs. In-
tegrating Me-4PACz into perovskite/silicon tandem solar cells led to a certified record
efficiency of 29.15% and to a cell retaining 95.5% of its initial efficiency after 300h un-
der continuous operation in ambient air. The results helped progressing perovskite
tandem photovoltaics and might lay guides for future endeavors of industrial entry.
III
Zusammenfassung
Perowskit-basierte Tandemsolarzellen bergen das Potenzial, Einzelsolarzell-Effizienzen zu
übertreffen und die Nutzung von Solarenergie auszuweiten. Die vorliegende Arbeit be-
fasst sich mit der Optimierung von Tandem-relevanten Perowskitsolarzellen (PSZn) durch
Reduktion von Leistungsverlusten an den Grenzflächen zwischen Perowskitschicht und
den ladungsselektiven Schichten. Ein Hauptmotiv dieser Arbeit ist die Etablierung von
Loch-selektiven selbstorganisierten Monolagen (SAMs), die Oxidschichten selbstständig
funktionalisieren können. Dies ermöglichte eine einfache und robuste PSZ-Struktur mit
Leistungsumwandlungseffizienzen (PCEs) von über 21% mit Einzelsolarzellen, >24% mit
Perowskit/CIGSe Tandemsolarzellen und >29% mit Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen.
Außerdem ermöglichte es Solarzell-relevante Modellsysteme für einen Verständnisgewinn
über optimales Design von ladungsselektiven Schichten, Ladungsträgerextraktion und Er-
höhung der Stabilität. Die Effizienzgewinne wurden mit Photolumineszenz-Studien erklärt,
sowohl mit absoluter Kalibrierung zur Quantifizierung von Spannungsgewinnen an den
Grenzflächen, als auch mit Zeitauflösung, um die Ladungsträgerdynamik genauer zu un-
tersuchen. Mit einer Kombination von Photolumineszenz, Solarzell-Eigenschaften und der
Messung von Energieniveaus wurde die Ausrichtung zwischen Loch-selektiver Schicht und
der Perowskit-Valenzbandkante als entscheidender Parameter für die Leerlaufspannung
(𝑉OC) der Solarzelle identifiziert. Einer der untersuchten SAMs, eine Carbazol-Einheit ver-
bunden mit Ethanphosphonsäure (2PACz), zeigte optimale energetische Ausrichtung und
minimale nichtstrahlende Verluste, was eine “verlustfreie” Grenzfläche ermöglichte und zu
hohen 𝑉OC-Werten von bis zu 1,19 V bei 1,63 eV-Bandlücke führte, ohne Zwischenschich-
ten, Dotierung oder Additiven. Durch einen SAM auf rauer CIGSe-Oberfläche als Loch-
selektive Schicht für die Perowskit-Topzelle, wurde eine monolithische Perowskit/CIGSe
Tandemzelle realisiert mit zertifizierter Effizienz von 23,3% auf einer Fläche von 1 cm2, was
den vorigen Rekord in Fläche und Effizienz übertraf (22,4% auf 0,04 cm2). Weitere Opti-
mierung mit Fokus auf den Füllfaktor der Solarzellen, den einzigen Parameter bei dem
beste PSZn noch nicht die Werte von ausgereiften Solarzell-Technologien erreicht haben,
führte zu der Erkenntnis, dass eine Methyl-substituierte Carbazol-SAM (Me-4PACz) die
Loch-Extraktion deutlich beschleunigte und damit den Füllfaktor erhöhte (bis auf 84%),
unter Beibehaltung der hohen 𝑉OC von 2PACz. Durch transiente Photolumineszenz, Photo-
Leitfähigkeitsmessungen und Solarzell-Daten ergab sich, dass die Loch-selektive Grenzflä-
che in p-i-n PSZn den Füllfaktor limitierte. Der Einsatz von Me-4PACz in Perowskit/Silizium-
Tandemsolarzellen führte zu einer zertifizierten Rekordeffizienz von 29,15% und zu einer
Zelle, die 95,5% ihrer Initialeffizienz nach 300 h unter dauerhaftem Betrieb an Luft behielt.
IV
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