Ziel dieser Arbeit war es, ein Schichtsystem auf Basis des Sol-Gel-Prozesses zu entwickeln, um Lighttrapping in Si-Dünnschichtsolarzellen zu erzeugen. Die Grundlage dieses Schichtsystems bilden SiO2-Partikel, die über den Stöber-Prozess hergestellt werden. Es zeigte sich, dass sich die Rauheit und der Haze der Schichten über die Partikelgröße und Schichtdicke einstellen lassen. Um die mechanische Stabilität der reinen Stöber-Schichten zu verbessern, kamen verschiedene Binder zum Einsatz. Beste Ergebnisse zeigten Binder basierend auf löslichen Vorstufenpulvern, da diese dem Stöber-Sol beigemischt werden konnten und so Binder und Partikel gleichzeitig aufgebracht werden konnten. Auf diese Weise entstehen mechanisch stabile, lichtstreuende Schichten. Zum Einsatz kam zunächst ein TiO2-Binder. Durch eine anschließende Glättung der Stöber-TiO2-Streuschichten mit SiO2 entsteht eine defektfreie, aber dennoch raue Oberfläche. Zusätzlich wird ein beträchtlicher Teil des Lichts in große Winkel gestreut. Es konnte gezeigt werden, dass sich auf den SiO2-geglätteten Stöber-TiO2-Streuschichten ZnO:Al deponieren lässt, wobei die elektrischen Eigenschaften von der Dicke der Glättung abhängen. Auch die elektrischen Eigenschaften der Si-Dünnschichtsolarzellen hängen von der Glättung bzw. der Dicke der Glättung ab. Dies gilt insbesondere für die von der Materialqualität abhängigen Parameter Füllfaktor FF und offen Klemmenspannung VOC. Insgesamt fallen die Parameter jedoch noch gegenüber Referenzzellen auf geätztem Frontkontakt zurück. Vor allem aber wurde die hohe Zellreflexion aufgrund der Glas-TiO2-Grenzfläche als primäres Problem identifiziert. Dennoch konnte bei einer Glättungsdicke von 200 nm sehr gutes Lighttrapping beobachtet werden. Verantwortlich hierfür ist sehr wahrscheinlich die Großwinkelstreuung der Stöber-TiO2-Streuschichten. Um die Zellreflexion zu verringern, wurde der Brechungsindex des Binders und der Glättungsschichten an den Stack aus Substrat, Streuschicht und ZnO:Al-Schicht angepasst. Idee war es, durch Einbringen eines Al2O3-Vorstufenpulvers eine niedrigbrechende Komponente bereitzustellen, um durch Mischung von Al2O3- und TiO2-Vorstufenpulver freie Hand über den Brechungsindex des Binders und der Glättung zu erhalten. Da sich das Volumenverhältnis von SiO2-Partikeln zu Binder bei verschiedenen Al2O3-TiO2-Verhältnissen nur schwer bestimmen lässt, wurde lediglich ein reiner Al2O3-Binder in den Streuschichten eingesetzt. Die Einstellung des Brechungsindex beschränkte sich allein auf die Glättungsschichten. Um Stöber-Al2O3-Streuschichten mit hoher Rauigkeit und geringen Defekten zu erzielen, muss das Binder-zu-Partikel-Verhältnis angepasst werden. Beste Ergebnisse ergaben sich bei einem Al2O3-Gehalt von 2% im Sol. Aufgrund der hohen Rauigkeit besitzen die Streuschichten einen hohen Haze und wegen des geringen Brechungsunterschied zwischen Glas und Binder eine hohe Transmission. Die Glättung der Streuschichten im Al2O3-TiO2-System ist nur mit Hilfe einer zusätzlichen SiO2-Glättungsschicht und einer reduzierten Dicke auf 50 nm möglich. Auf den reinen defektreichen Streuschichten tendieren die Al2O3-TiO2-Schichten selbst zu Rissbildung. Zur Untersuchung der ZnO:Al-Deposition wurde eine Glättungsdicke von 200 nm gewählt. Die erwies sich als zu gering. Die aufgebrachten ZnO:Al-Schichten wiesen größere Poren und kleinere Oberflächendefekte auf. Die Anpassung des Brechungsindex der Glättungsschichten an die ZnO:Al-Schicht erwies sich nicht als vorteilhaft. Die reine Al2O3-Glättung zeigt auch nach der ZnO:Al-Deposition die höchste Transmission. Die Winkelverteilung des Streulichts der Stöber-Al2O3-Streuschichten ist gegenüber den Stöber-TiO2-Streuschichten zu kleineren Winkeln verschoben. Dennoch wird ein größerer Anteil des Lichts in große Winkel gestreut, als es bei der geätzten ZnO:Al-Referenz der Fall ist. Trotz der Defekte in den ZnO:Al-Schichten konnten auf den Stöber-Al2O3-Streuschichten funktionierende Tandemzellen hergestellt werden. Der Füllfaktor und die offene Klemmenspannung fallen nur geringfügig hinter die der Referenzzelle zurück. In der Kurzschlussstromdichte machen sich die verringerte Zellreflexion und das sehr gute Lighttrapping bemerkbar, so dass das Niveau der Referenz erreicht werden konnte. Zu beachten ist allerdings, dass gerade im langwelligen Lighttrapping-Spektralbereich die gleiche EQE erreicht wurde, trotz immer noch leicht erhöhter Zellreflexion. Die letzte Versuchsreihe konnte zeigen, dass die entwickelten Schichten sich sehr gut zur Erzeugung von Lighttrapping in Si-Dünnschichtsolarzellen eignen. / The aim of this thesis was to develop a coating system based on the sol-gel process to generate light trapping in Si thin film solar cells. The foundation of this coating system are SiO2 particles which are produced by the Stöber process. The roughness and the haze of the layers can be adjusted by means of the particle size and layer thickness. To improve the mechanical stability of the pure Stöber layers different binders were used. The best results were found in binders based on soluble precursor powders, as they could be mixed with the Stöber sol so that binders and particles could be applied simultaneously. This results in mechanically stable, light-scattering layers. Initially, a TiO2 binder was used. A subsequent smoothing of the Stöber-TiO2 scattering layers with SiO2 results in a defect-free but nevertheless rough surface. In addition, a considerable part of the light is scattered in large angles. It was shown that ZnO: Al can be deposited on the SiO2 -smoothed Stöber-TiO2 scattering layers, the electrical properties depending on the thickness of the smoothing. The electrical properties of the Si thin-film solar cells also depend on the smoothing or the thickness of the smoothing. This is especially true for the material quality dependent parameters fillfactor FF and open circuit voltage Voc. Overall, however, the parameters still fall short of reference cells on etched front contact. Most importantly, the high cell reflectance was identified as the primary problem due to the glass-TiO2 interface. Nevertheless, very good light trapping could be observed with a smoothing thickness of 200 nm. This is most likely due to the large-angle scattering of the Stöber-TiO2 scattering layers. In order to reduce the cell reflection, attempts have been made to adapt the refractive index of the binder and the smoothing layers to the stack of substrate, scattering layer and ZnO:Al. The idea was to provide a low refractive component by adding an Al2O3 precursor powder in order to obtain full control on the refractive index of the binder and the smoothing by mixing Al2O3 and TiO2 precursor powders. Since the volume ratio of SiO2 particles to binders is difficult to determine at different Al2O3-TiO2 ratios , only a pure Al2O3 binder was used in the scattering layers. The adjustment of the refractive index was limited solely to the smoothing layers. To achieve Stöber-Al2O3 scattering layers with high roughness and low defects, the binder-to-particle ratio must be adjusted. The best results were obtained with an Al2O3 content of 2% in the sol. Due to the high roughness, the scattering layers have a high Haze and a high transmission because of the small difference in refraction index between glass and binder. The smoothing of the scattering layers in the Al2O3-TiO2 system is only possible with the aid of an additional SiO2 smoothing layer and a reduced thickness to 50 nm . On the pure defect-rich scatttering layers, the Al2O3 -TiO2 layers themselves tend to crack. To investigate the ZnO:Al deposition, a smoothing thickness of 200 nm was chosen. That turned out to be too low . The applied ZnO:Al layers had larger pores and smaller surface defects. The adjustment of the refractive index of the smoothing layers to the ZnO:Al layer did not prove to be advantageous. The pure Al2O3 smoothing shows the highest transmission even after the ZnO:Al deposition. The angular distribution of the scattered light of the Stöber-Al2O3 scattering layers is shifted towards smaller angles than the Stöber-TiO2 scattering layers. Nevertheless, a larger fraction of the light is scattered into large angles than is the case with the etched ZnO:Al reference. Despite the defects in the ZnO:Al layers , functional tandem cells could be prepared on the Stöber- Al2O3 scattering layers. The fill factor and the open circuit voltage fall only slightly behind those of the reference cell. The short-circuit current density, the reduced cell reflection and the very good light trapping are noticeable, so that the level of the reference could be reached. It should be noted, however, that the same EQE was achieved in the long-wavelength light trapping spectral range, despite the still slightly increased cell reflection. The last series of experiments showed that the developed layers are very well suited for the generation of light trapping in Si thin-film solar cells.

Es wurde eine Vielzahl neuer, flüssigkristalliner Phthalocyanin-Sternmesogene synthetisiert. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und die thermotropen Eigenschaften neuer Phthalocyanin-Sternmesogene mit Freiraum sowie von sterisch überfrachteten Verbindungen wurden insbesondere hinsichtlich der Freiraumfüllung untersucht. Diesbezüglich wurde ein neuer supramolekularer, freiraumfüllender "Klick-Prozess" zwischen einem Molekül mit Freiraum und einem sterisch überfrachteten Molekül mit vier Fullerenen beobachtet. Die photophysikalischen Eigenschaften wurden zudem insbesondere im Hinblick auf die Anwendung für die Organische Photovoltaik untersucht. / A large number of new, liquid crystalline phthalocyanine star mesogens was synthesized. The structure-property relationships and the thermotropic properties of new phthalocyanine star mesogens with free space and of sterically overcrowded compounds were investigated, whereas the space-filling was of great interest. In this regard, a new supramolecular, space-filling „click-process“ between one molecule with free space and one sterically overcrowded compound with four fullerenes was observed. The photophysical properties regarding to an application for the organic photovoltaics were investigated.

The fact that photovoltaics is a key technology for climate-neutral energy production can be taken as a given. The question to what extent perovskite will be used for photovoltaic technologies has not yet been fully answered. From a photophysical point of view, however, it has the potential to make a useful contribution to the energy sector. However, it remains to be seen whether perovskite-based modules will be able to compete with established technologies in terms of durability and cost efficiency. The additional aspect of ionic migration poses an additional challenge. In the present work, primarily the interaction between ionic redistribution, capacitive properties and recombination dynamics was investigated. This was done using impedance spectroscopy, OCVD and IV characteristics as well as extensive numerical drift-diffusion simulations. The combination of experimental and numerical methods proved to be very fruitful. A suitable model for the description of solar cells with respect to mobile ions was introduced in chapter 4.4. The formal mathematical description of the model was transferred by a non-dimensionalization and suitable numerically solvable form. The implementation took place in the Julia language. By intelligent use of structural properties of the sparse systems of equations, automatic differentiation and the use of efficient integration methods, the simulation tool is not only remarkably fast in finding the solution, but also scales quasi-linearly with the grid resolution. The software package was released under an open source license. In conventional semiconductor diodes, capacitance measurements are often used to determine the space charge density. In the first experimental chapter 5, it is shown that although this is also possible for the ionic migration present in perovskites, it cannot be directly understood as doping related, since the space charge distribution strongly depends on the preconditions and can be manipulated by an externally applied voltage. The exact form of this behavior depends on the perovskite composition. This shows, among other things, that experimental results can only be interpreted within the framework of conventional semiconductors to a very limited extent. Nevertheless, the built-in 99 potential of the solar cell can be determined if the experiments are carried out properly. A statement concerning the type and charge of the mobile ions is not possible without further effort, while their number can be determined. The simulations were applied to experimental data in chapter 6. Thus, it could be shown that mobile ions make a significant contribution to the OCVD of perovskite solar cells. j-V characteristics and OCVD transients measured as a function of temperature and illumination intensities could be quantitatively modeled simultaneously using a single global set of parameters. By the simulations it was further possible to derive a simple experimental procedure to determine the concentration and the diffusivity of the mobile ions. The possibility of describing different experiments in a uniform temperaturedependent manner strongly supports the model of mobile ions in perovskites. In summary, this work has made an important contribution to the elucidation of ionic contributions to the (photo)electrical properties of perovskite solar cells. Established experimental techniques for conventional semiconductors have been reinterpreted with respect to ionic mass transport and new methods have been proposed to draw conclusions on the properties for ionic transport. As a result, the published simulation tools can be used for a number of further studies. / Dass die Photovoltaik eine Schlüsseltechnologie für die klimaneutrale Energieerzeu- gung ist, kann als gegeben angesehen werden. Die Frage, inwieweit Perowskit für Photovoltaik-Technologien eingesetzt werden wird, ist noch nicht abschließend geklärt. Aus photophysikalischer Sicht hat es jedoch das Potenzial, einen sinnvollen Beitrag im Energiesektor zu leisten. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob Module auf Perowskitbasis in Bezug auf Haltbarkeit und Kosteneffizienz mit den etablierten Technologien konkurrieren können. Der zusätzliche Aspekt der Ionenmigration stellt eine weitere Herausforderung im Bezug zu Degeneration und MPP-tracking dar. In der vorliegenden Arbeit wurde vor allem die Wechselwirkung zwischen Ionenumverteilung, kapazitiven Eigenschaften und Rekombinationsdynamik untersucht. Dazu wurden Impedanzspektroskopie, OCVD- und IV-Kennlinien sowie umfangreiche numerische Drift-Diffusions-Simulationen eingesetzt. Die Kombination von experimentellen und numerischen Methoden erwies sich als sehr fruchtbar. Ein geeignetes Modell zur Beschreibung von Solarzellen im Hinblick auf mobile Ionen wurde in Kapitel 4.4 vorgestellt. Die formale mathematische Beschreibung des Modells wurde durch eine Nichtdimensionalisierung und geeignete numerisch lösbare Form umgesetzt. Die Implementierung erfolgte in der Sprache Julia. Durch intelligente Ausnutzung struktureller Eigenschaften der dünn besetzten Gleichungssysteme, automatische Differenzierung und den Einsatz effizienter Integrationsmethoden ist das Simulationswerkzeug nicht nur bemerkenswert schnell in der Lösungsfindung, sondern skaliert auch quasi-linear mit der Gitterauflösung. Das Softwarepaket wurde unter einer Open- Source-Lizenz veröffentlicht. Bei herkömmlichen Halbleiterdioden werden häufig Kapazitätsmessungen zur Bestim- mung der Raumladungsdichte verwendet. Im ersten experimentellen Kapitel 5 wird gezeigt, dass dies zwar auch für die in Perowskiten vorhandene Ionenwanderung möglich ist, aber nicht direkt als dopingbedingt verstanden werden kann, da die Raum- ladungsverteilung stark von den Voraussetzungen abhängt und durch eine extern angelegte Spannung manipuliert werden kann. Die genaue Form dieses Verhaltens hängt von der Zusammensetzung des Perowskits ab. Dies zeigt u.a., dass experimentelle Ergebnisse nur sehr eingeschränkt im Rahmen konventioneller Halbleiter interpretiert werden können. Dennoch lässt sich das eingebaute Potenzial der Solarzelle bestimmen, wenn die Experimente richtig durchgeführt werden. Eine Aussage über die Art und Ladung der beweglichen Ionen ist ohne weiteren Aufwand nicht möglich, während ihre Anzahl bestimmt werden kann. Die Simulationen wurden in Kapitel 6 auf experimentelle Daten angewandt. So konnte gezeigt werden, dass mobile Ionen einen wesentlichen Beitrag zur OCVD von Perowskit-Solarzellen leisten. j-V -Charakteristika und OCVD-Transienten, die in Abhängigkeit von Temperatur und Beleuchtungsintensität gemessen wurden, konnten mit einem einzigen globalen Parametersatz gleichzeitig quantitativ modelliert werden. Durch die Simulationen war es ferner möglich, ein einfaches experimentelles Verfahren zur Bestim- mung der Konzentration und des Diffusionsvermögens der mobilen Ionen abzuleiten. Die Möglichkeit, verschiedene Experimente einheitlich und temperaturabhängig zu beschreiben, unterstützt das Modell der mobilen Ionen in Perowskiten sehr. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der ionischen Beiträge zu den (photo)elektrischen Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen geleistet hat. Etablierte experimentelle Techniken für konventionelle Halbleiter wurden im Hinblick auf den ionischen Massentransport neu interpretiert, und es wurden neue Methoden vorgeschlagen, um Rückschlüsse auf die für den ionischen Transport charakteristischen Eigenschaften zu ziehen. Das Ergebnis ist, dass die veröffentlichten Simulationswerkzeuge für eine Reihe weiterer Studien genutzt werden können.

In line with the expansion of the building industry, future projects like buildings and infrastructure require high demands on energy issues. EU directives and major global goals constantly set guidelines for what should be done and not. Construction and architecture companies in Sweden can influence what future cities will look like. This requires knowledge in these issues, not least about solar cell facades. Solar panels are mostly applied to roofs and big fields directed upwards towards the sun, but could one imagine solar cells integrated or applied to the facade of a building? This is what this thesis is about, and how the market looks today for these technologies in 2019. Therefore, the purpose is to compare solar cell technologies and attachment possibilities on facades of buildings. The goal is to give architects insight into how they are and can be used for future facade solutions. Most of the work has consisted of literature studies from books, reports research and the internet. The results turned out to be that the techniques are under a maturing phase after intensive research has been made in the field of solar cells, as well as increased use, lower prices and more efficient techniques. Today, it is possible to utilize solar cell facades in Sweden and other countries around the world. The sun is a renewable energy source that can cover the majority of the world's energy and electricity needs.

This report presents a master's thesis conducted within the machine design track at KTH Royal Institute of Technology. The research work was undertaken in collaboration with Novige AB, who commissioned the project. Novige AB is in the development and testing phases of a wave energy converter (WEC) of which exhibits a large area of unutilized potential. This led to the purpose of this thesis, conceptualizing a support structure and expanding mechanism for solar panels to be mounted on the float of the WEC. Since no previous work related to the subject had been conducted, the objectives were to explore different solutions and present a detailed final concept, including initial finite element calculations from expected load cases. The work consisted of several concept phases to ensure a thorough design process and to be able to accurately evaluate each concept. The outcome of the project yielded a conceptual design, featuring stackable solar panel modules. Each module consisted of four panels arranged horizontally and three panels vertically, resulting in a total of 288 solar panels, when incorporating eight modules on each float. The cumulative potential maximum power output of the configuration was estimated to be approximately 115 kW. When harsh conditions would be detected, the outer modules would retract under the fixed center module. To support the outer modules, a telescope beam was incorporated, spanning the outermost points of the structure, while roller guides were utilized at the inner end. Moreover, the movement of the outer modules was facilitated by a chain mechanism, housed within a U-profile. Most components in the design were proposed to be manufactured using steel, supplemented with protective measures such as paint or coating to ensure durability in the oceanic environment. / Denna rapport presenterar ett mastersarbete som utförts inom maskinkonstruktionsspåret vid KTH Kungliga Tekniska Högskolan. Arbetet genomfördes i samarbete med Novige AB, som beställde projektet. Novige AB befinner sig i utvecklings- och testfaserna av ett vågkraftverk (WEC) som har en stor outnyttjad yta med potential. Detta ledde till syftet med detta arbete, att konceptualisering en stödstruktur och en expanderingsmekanism för solpaneler som ska monteras på flotten av WEC. Eftersom ingen tidigare forskning hade utförts på området var målet att utforska olika lösningar och presentera ett detaljerat slutkoncept, inklusive initiala beräkningar med FEM under förväntade lastningsfall. Arbetet bestod av flera konceptuella faser för att säkerställa en noggrann designprocess och för att kunna utvärdera varje koncept på ett genomgående sätt. Projektet resulterade i en konceptuell design med stapelbara solpanelesmoduler. Varje modul höll 12 solpaneler, fyra horisontellt och tre vertikalt med 3 moduler per struktur. Varje WEC kunde bära totalt 8 strukturer vilket ger 288 solpaneler per WEC. Den sammanlagda potentiella effekten för konfigurationen uppskattades till cirka 115 kW. Vid svåra väderförhållanden, skulle de yttre modulerna dras tillbaka under den fasta mittmodulen för att minska vindfånget. För att stödja de yttre modulerna inkluderades en teleskopisk balk som bär de yttersta punkterna på modulen, medan rullstöd användes i den inre delen. Dessutom utfördes rörelsen hos de yttre modulerna av en kedja-kuggmekanism som placerades inuti en U-profil. De flesta komponenter i designen föreslogs tillverkas av stål, kompletterat med skyddsåtgärder såsom färg eller beläggning för att minimera risken för korrosion i den marina miljön.

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Examensarbetet som presenteras i denna rapport är ett delprojekt utfört i samarbete med Glava Energy Center och redovisar framtagningen av ett PV-system för den eldrivna båten Bowter. I rapporten utfördes en energianalys där solinstrålning i olika plan studerades och analyserades. Möjligheter att utöka antalet solceller baserat på båtens design undersöktes, där båtens horisontella badbrygga samt vertikala långsidor bedömdes vara de ytor som var lämpliga för placering. Förslag på konfigurationer av PV-systemet dimensionerades och den förväntade mängden genererad energi och laddning beräknades. Systemet som togs fram skulle enligt beräkningar i genomsnitt generera mellan 1,06–2,22kWh energi per dag och kosta omkring tio tusen kronor. Energianalysen visade att solceller placerade i 30–40° lutning i genomsnitt skulle kunna generera mellan 20–43 procent mer energi och laddning än den valda vertikala placeringen. Med båtens nuvarande design utan några möjligheter för placering av solceller i lutande plan går därmed denna potentiella mängd energi förlorad. Praktiska mätningar av energi via reflektioner från vattenytan visar heller inga övertygande tecken på att rädda upp för denna mängd förlorad energi. Simuleringar av det framtagna systemet genomfördes och jämfördes med det beräknade genomsnittet, vilket visade att man skulle kunna förvänta sig cirka 25 procent mer energi under klara förhållanden och 76 procent mindre energi under svåra väderförhållanden med långvariga och heltäckande moln. Av resultaten drogs slutsatsen att det mest praktiska alternativet för maximal systemeffekt är att möjliggöra placering av fler solceller i horisontellt plan via t.ex. en takdel och på den vägen erhålla ett mer pålitligt och förutsägbart resultat som både skulle vara mer effektivt samt ekonomiskt fördelaktigt i jämförelse med det framtagna systemet. / The thesis work presented in this report is a sub-project carried out in collaboration with Glava Energy Center and reports on the development of a PV system for the electric boat Bowter. In the report, an energy analysis was performed where solar irradiance in different planes was studied and analyzed. Opportunities to increase the number of solar cells based on the boat's design were investigated, where the boat's horizontal swim platform and vertical sides were determined to be the areas that were suitable for placement. Proposals for configurations of the PV system were sized and the expected amount of generated energy and charge capacity were calculated. According to calculations the proposed system would on average generate between 1.06–2.22kWh of energy per day and cost around SEK 10,000. The energy analysis showed that solar cells placed at an angle of 30–40° could on average generate between 20–43 percent more energy and charge than the chosen vertical placement. With the boat's current design without any possibilities for placing solar cells in an inclined plane, this potential amount of energy is lost. Practical measurements of energy via reflections from the water surface show no convincing signs of compensating for this amount of lost energy. Simulations of the proposed system were carried out and compared with the calculated average, which showed that one could count on about 25 percent more energy in clear conditions and 76 percent less energy in harsh weather conditions with long-lasting and overcast clouds. From the results, it was concluded that the most practical alternative for maximum system power is to enable the placement of additional solar cells in a horizontal plane via e.g. a roof section and in that way obtain a more reliable and predictable result that would be both more efficient and economically advantageous in comparison with the proposed system.

PV solar cells and modules have to show high-efficiency at very low cost. The idea of the project is to understand and test the feasibility of an all-aluminum-silicon (AlSi)-wired solar cell and solar module enabling an easy cell string for module assembly. The cell is thought to be build up in the best case by a silicon wafer cleaned and passivated by dielectric layer which will be laser opened in lines or dashes or dots for contacting. The AlSi wires are used to contact the opened areas during high temperature treatment forming contacts to silicon with local doping. The main advantage of the concept is a much cheaper cell and module fabrication as a silver- and diffusion-doping-free solar cell is build, cell contacting and module cell string connection could be one process step (i.e. no paste screen-printing and no additional stringing), thus no copper nor silver is used. Solar cell structures of interest have to withstand the eutectic temperature of silicon, thus industrial PERC and TOPCon could be possible candidates.

Im Rahmen der Energiewende vollzieht sich die Abkehr von einer zentralisierten Energieversorgung mit weitgehend fossilen Kraftwerken hin zu einem dezentral organisierten System mit vorrangig erneuerbaren Energien. In diesem zukünftigen durch erneuerbare Energien dominierten Energiemarkt, nimmt die Photovoltaik (PV) aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Einer umfassenden Nutzung der Photovoltaik standen in der Vergangenheit hohe Investitionskosten entgegen. Der globale Auf- und Ausbau von Produktionskapazitäten zur Fertigung von PV-Anlagen und damit einhergehende Lernkurveneffekte haben im Zeitverlauf zu einer deutlichen Kostenreduktion für PV-Anlagen geführt. Die vormalige Kostenintensität von PV-Anlagen hat zur Entwicklung des klassischen Ansatzes zur Netzparität der Photovoltaik, als Maß deren Wettbewerbsfähigkeit, geführt. Der Ansatz stellt auf den Vergleich von Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage eines Haushalts mit dessen Strombezugskosten aus dem öffentlichen Stromnetz ab. Sowohl die Gegenüberstellung von Kosten und Preisen als auch der Fokus lediglich auf private Haushalte schränken die Anwendbarkeit des Ansatzes ein und bilden den Hintergrund dieser Arbeit. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche bestehender Paritätsbegriffe erfolgt eine Neudefinition des Ansatzes der Netzparität der Photovoltaik, die eine aussagekräftige Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie erlaubt. Wettbewerbsfähigkeit ist gegeben, wenn sich der Einsatz der Photovoltaik kostensenkend auf die Gesamtkosten der Stromproduktion des Energiemarkts auswirkt. Die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes auf weitere Energieerzeugungstechnologien, regional und zeitlich unabhängig, gilt als wesentliche Bedingung der Entwicklung des Paritätsansatzes. Hierfür werden die Kriterien reine Kostenorientierung, Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Energieerzeugungsanlagen, Anlagenbetrieb im technologischen Optimum und Vergleichsbasis im Energiemix definiert. Unter Zuhilfenahme eines Energiemarktmodells erfolgt die theoretische Darstellung des novellierten Paritätsansatzes. Netzparität der Photovoltaik im Ansatz dieser Arbeit liegt vor, wenn PV-Anlagen im Rahmen ihrer Nutzungsdauer eine Kostensenkung im Energiemix bewirken. Das bedeutet, dass der Saldo aus Stromgestehungskosten von PV-Anlagen eines Installationsjahrs und dem Energiemix über deren Nutzungsdauer positiv ist. Im Ergebnis des novellierten Ansatzes wird festgestellt, dass der jeweils in einer Region vorliegende Energiemix die Wettbewerbsfähigkeit von Stromerzeugungstechnologien wie der Photovoltaik determiniert. Externe Eingriffe wie eine Begrenzung der Anlagennutzungsdauer, führen generell zu höheren Kosten im Energiemix. Weiterhin zeigt sich, dass für den Standort Deutschland PV-Anlagen ab 2035 die Bedingungen der Netzparität erfüllen und entsprechend im nationalen Energiemix kostenmindernd wirken. Die Neudefinition des Ansatzes zur Netzparität als kostenbasiertes, langfristorientiertes und technologieneutrales Modell stellt ein Planungsinstrument dar, das die Umsetzung politischer Ziele wie der verstärkte Ausbau erneuerbarer Energien oder die Reduktion von CO2-Emissionen kostenminimal ermöglicht.