Understanding and resolving optoelectronic losses for highly efficient perovskite/silicon tandem solar modules

Among renewable technologies, photovoltaics has become the cheapest form of energy production. So far, the wider portion of the solar panel market is led by crystalline silicon (c-Si) because of its efficiency, reliability, and affordable manufacturing. Owing to their high efficiency, low-cost solution-processability, and tunable bandgap, hybrid organic-inorganic perovskite solar cells (PSCs) are a new promising class of semiconducting materials for the next generation of solar panels. Moreover, these perovskites perfectly couple as top-cell candidates for integration with c-Si bottom-cells in tandem configuration to overcome the intrinsic efficiency limit of Shockley-Queisser (S-Q). Nowadays, a huge research effort has allowed to achieve perovskite performances comparable with the best c-Si solar cell. Most of the research is focused on the improvement at the device level with the adoption of new materials and the development of new deposition techniques. However, despite its importance, few studies have investigated the transition from cell to module level and the operation of the perovskites under real-world conditions. A limiting factor in this translation was the lack of stable performances and fast degradation of the perovskite. Therefore, investigating encapsulation and packaging strategies to increase the lifetime of perovskite-based photovoltaics is of paramount importance. In this work, we investigate the encapsulation of perovskite/silicon tandem solar cells and the fabrication of minimodules that have been tested in lab experiments and outdoor conditions. For the first time, we recreated an experimental setup that allows us to mimic the different angles of incidence of the incoming light, understanding the behavior of different module architectures and studying the performances under a real world environment. Part of the results of this thesis have been published in Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics with Minimized Cell-to-Module Losses by Refractive-Index Engineering (ACS Energy Letter, 2022, 7, 2370-2372); Efficient and Reliable Encapsulation of Perovskite/Silicon Modules with Thermoplastic Polymers (in preparation); AngularDependent Performances of Perovskite/Silicon Tandem in Experimental and Outdoor Conditions (in preparation).

Tra le tecnologie rinnovabili, il fotovoltaico è diventato la forma di produzione di energia più economica. Ad ora, la maggior parte del mercato fotovoltaico presenta il silicio cristallino (c-Si) come leader, per via della sua efficienza, affidabilità e costo di produzione accessibile. Grazie alla loro elevata efficienza, alla processabilità in soluzione a basso costo e al bandgap modificabile, le celle solari ibride di perovskite organica e inorganica (PSC) sono una nuova promettente classe di materiali semiconduttori per la prossima generazione di pannelli solari. Inoltre, queste perovskiti si accoppiano perfettamente come candidati top-cell per l'integrazione con celle inferiori a c-Si in configurazione tandem per superare il limite di efficienza intrinseco di Shockley-Queisser (S-Q). Al giorno d'oggi, un enorme ricerca ha permesso di ottenere prestazioni della perovskite paragonabili a quelle delle migliori celle solari a c-Si. La maggior parte della ricerca è focalizzata sul miglioramento a livello del dispositivo con l'adozione di nuovi materiali e lo sviluppo di nuove tecniche di deposizione. Tuttavia, nonostante la sua importanza, pochi studi hanno analizzato la transizione dal livello di cella a quello di modulo e il funzionamento delle perovskiti in condizioni reali. Un fattore limitante in questa transizione è stata la mancanza di prestazioni stabili e la rapida degradazione della perovskite. Pertanto, lo studio di strategie di incapsulamento per aumentare la durata di vita dei sistemi fotovoltaici a base di perovskite fotovoltaico basato sulla perovskite è di fondamentale importanza. In questo lavoro, si sono studiati l'incapsulamento di celle solari tandem perovskite/silicio e la fabbricazione di minimoduli che sono stati testati in esperimenti di laboratorio e in condizioni esterne. per la prima volta, è stata ricreata un'impostazione sperimentale che ci permette di simulare i diversi angoli di incidenza della luce in ingresso, comprendendo il comportamento di diverse configurazioni di moduli e studiando le prestazioni in un ambiente reale. Parte dei risultati di questa tesi sono stati pubblicati in Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics with Minimized Cell-to-Module Losses by Refractive-Index Engineering (ACS Energy Letter, 2022, 7, 2370-2372); Efficient and Reliable Encapsulation of Perovskite/Silicon Modules with Thermoplastic Polymers (in preparation); AngularDependent Performances of Perovskite/Silicon Tandem in Experimental and Outdoor Conditions (in preparation).