Technologie

Rekord für Tandem-Solarzelle

11.12.2020 - Wirkungsgrad einer Perowskit-Silizium-Solarzelle springt auf 29,15 Prozent.

Im Rennen um immer höhere Wirkungsgrade liegt ein Entwicklungs­team des Helmholtz-Zentrums Berlin HZB wieder vorne. Die Gruppen von Steve Albrecht und Bernd Stannowski haben eine Tandem­solarzelle aus den Halbleitern Perowskit und Silizium entwickelt, die 29,15 Prozent des einge­strahlten Lichts in elektrische Energie umwandelt. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE zertifiziert. Damit ist die Überwindung der 30-Prozent-Effi­zienz-Marke in greifbare Nähe gerückt.

Solarzellen aus zwei Halbleitern mit unter­schiedlichen Bandlücken können als Tandem zusammen deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen als jede Unterzelle für sich. Dies liegt daran, dass solche Tandemzellen das Sonnen­spektrum effizienter nutzen. So wandeln die bewährten Silizium-Solar­zellen vor allem die infraroten Anteile des Lichts in elektrische Energie um, während bestimmte Perowskit-Verbin­dungen die sichtbaren Anteile des Sonnenlichts effektiv nutzen können.

Anfang 2020 hat ein großes Team um Steve Albrecht am HZB den bisherigen Weltrekord bei Tandem­solarzellen aus Silizium und Perowskit von 28,0 Prozent (Oxford PV) übertroffen und mit 29,15 Prozent einen neuen Weltrekord aufgestellt. Gegenüber der höchsten zertifizierten und wissen­schaftlich publizierten Effizienz ist dies ein großer Schritt nach vorne. Der neue Wert ist am Fraunhofer ISE zertifiziert. „Der Wirkungsgrad von 29,15 Prozent ist nicht nur der Rekord für diese Technologie, sondern bildet in der NREL-Chart die Spitze der gesamten Kategorie „Emerging PV““, sagt Eike Köhnen, Doktorand im Team von Steve Albrecht. Darüber hinaus zeichnet sich die neue Perowskit/Silizium Tandem­zelle durch eine Stabilität von mehr als 300 Stunden unter konti­nuierlicher Belastung an Luft aus, und zwar ohne durch eine Verkapselung geschützt zu werden. Das Team verwendete eine komplexe Perowskit-Komposition mit 1,68 eV Bandlücke und konzentrierte sich auf die Optimierung der Substrat-Grenzfläche.

Mit Partnern aus Litauen (Gruppe um Vytautas Getautis) entwickelten sie eine Zwischen­schicht aus organischen Molekülen, die sich selbstständig zu einer Monolage (SAM) anordnen. Sie nutzten dafür ein neuartiges Molekül auf Carbazol-Basis mit Methyl­gruppen (Me-4PACz). Diese SAM wird auf der Elektrode aufgebracht und soll das Abfließen der Ladungs­träger verbessern. „Wir haben sozusagen zuerst das perfekte Bett eingerichtet, auf das sich die Perowskit-Schicht legt“ sagt Amran Al-Ashouri, der ebenfalls im Team von Albrecht promoviert.

Mit einer Reihe komplementärer Untersuchungs­methoden analysierten die Forscher im Anschluss die unterschiedlichen Prozesse an den Grenzflächen zwischen Perowskit, SAM und der Elektrode: „Wir haben insbesondere den Füllfaktor optimiert, der dadurch beeinflusst wird, wie viele Ladungsträger auf dem Weg aus der Perowskit-Unterzelle verloren gehen“, erklärt Al-Ashouri. Während die Elektronen in Richtung Sonnenlicht durch die C60-Schicht abfließen, müssen sich die Löcher in die entgegen­gesetzte Richtung bewegen und durch die SAM-Schicht in die Elektrode abfließen. „Allerdings sahen wir, dass Löcher sehr viel langsamer extrahiert werden als Elektronen, was den Füllfaktor limitierte“, so Al-Ashouri. Tatsächlich aber hilft die SAM-Schicht erheblich beim Abtransport und trägt damit gleich­zeitig zu einer besseren Stabilität der Perowskit-Schicht bei.

Durch eine Kombination von Photo­lumineszenz-Spektroskopie, Modellierung, elektrischer Charak­terisierung und Terahertz-Leitfähigkeits­messungen gelang es, die verschiedenen Prozesse an der Grenzfläche des Perowskit-Materials auseinander­zuhalten und zu ermitteln, wo die maßgeblichen Verluste herkommen. Dabei waren viele Partner beteiligt, so die Kaunas University of Technology, Litauen, University of Ljublana, Slowenien, University of Sheffield, UK, die Universität Potsdam sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin und die Technische Universität Berlin, wo Albrecht eine Juniorprofessur hält. Die Arbeiten an den beiden Unterzellen fanden im HySPRINT-Labor und am PVcomB am HZB statt. „Jeder Partner bringt seine besondere Expertise ein, daher konnten wir gemeinsam diesen Durchbruch erreichen“, sagt Steve Albrecht. Der maximal mögliche Wirkungs­grad ist schon in Reichweite: Die Forscher haben die beiden Unterzellen einzeln analysiert und einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 32,4 Prozent errechnet, welcher mit exakt diesem Aufbau erreicht werden kann. „Über dreißig Prozent können wir sicher erzielen“, sagt Albrecht.  

HZB / JOL

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