Technologie

Weltrekord für Perowskit-Silizium-Tandemzellen

25.11.2021 - 30-Prozent-Marke rückt für diese Zelltypen in greifbare Nähe.

Drei Teams am Helmholtz-Zentrum Berlin unter der Leitung von Christiane Becker, Bernd Stannowski und Steve Albrecht haben es gemeinsam geschafft, den Wirkungsgrad von komplett in-house herge­stellten Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen auf den neuen Rekordwert von 29,8 Prozent zu steigern. Der Wert ist nun offiziell zertifiziert und in den NREL-Charts verzeichnet. Damit rückt die 30-Prozent-Marke in greifbare Nähe.

Heutige Solarmodule werden hauptsächlich aus Silizium hergestellt, Möglichkeiten für weitere Steigerungen des Wirkungsgrads sind bereits weitgehend ausgereizt. Doch seit 2008 ist die Materialk­lasse der Metall­halogenid-Perowskite in den Fokus der Forschung gerückt: diese Halbleiterverbindungen wandeln das Sonnenlicht überaus effizient in elektrische Energie um und bieten noch viel Raum für Verbesserungen. Insbesondere lassen sie sich hervorragend mit Silizium-Solarzellen zu Tandem­solarzellen kombinieren, die das Sonnenlicht viel effizienter nutzen können. Am HZB arbeiten mehrere Gruppen seit 2015 intensiv sowohl an den Perowskit-Halb­leitern, als auch an Silizium­technologien und der Kombination von beiden zu innovativen Tandemsolarzellen.

Im Januar 2020 hatte das HZB den Rekordwert von 29,15 Prozent für eine Perowskit-Silizium-Tandem­solarzelle erreicht. Dann konnte die Firma Oxford PV vor Weihnachten 2020 einen zerti­fizierten Wirkungsgrad von 29,52 Prozent bekannt geben. Seitdem läuft das spannende Rennen. „Ein Wirkungsgrad von dreißig Prozent ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaikindustrie in naher Zukunft revo­lutionieren“, sagt Steve Albrecht, der die Perowskit-Dünnschichten im HySPRINT-Inno­vationslab am HZB untersucht. Bernd Stannowski, Gruppenleiter für Silizium­technologie am PVcomB, fügt an: „Besonders hervorheben möchte ich die gute Zusammen­arbeit zwischen den verschiedenen Gruppen und Instituten am HZB. So haben wir es geschafft, wieder eine Tandemsolarzelle komplett am HZB zu entwickeln und nochmals den Weltrekord zu holen.“

Für diese Tandem­solarzelle wurde der Fokus auf die optische Verbesserung der Silizium-Hetero­junction Bottomzelle gelegt. Dazu wurde eine nano­texturierte Vorderseite und ein dielek­trischer Rückreflektor eingefügt. Nun kam die offizielle Bestätigung: „Unsere neuen Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen wurden mit einem Weltrekord-Wirkungsgrad von 29,8 Prozent vom Fraunhofer ISE CalLab zertifiziert“, freut sich Christiane Becker, die mit ihrem Team untersucht, wie sich durch Nano­strukturierungen die Reflexions­verluste verringern lassen. Für die neue Arbeit untersuchten Philipp Tockhorn und Doktorand Johannes Sutter, wie sich Nano­strukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandem­solarzelle aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle auswirken.

Zunächst berechneten sie mit einer Computer­simulation die Photo­stromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen. Anschließend stellten sie Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen mit verschiedenen Strukturierungen her: „Schon die einseitige Nano­texturierung verbessert die Licht­absorption und ermöglicht einen höheren Kurzschluss­strom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Sutter. Und sein Kollege Tockhorn ergänzt: „Bemerkenswert ist, dass die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandem­solarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskit-Schichten führen.“ Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, wurden Verbes­serungen erreicht. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effi­zienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt Alexandros Cruz Bournazou, Postdoc in Bernd Stannowskis Gruppe.

Die Ergebnisse zeigen den Weg für weitere Verbesserungen auf. Denn die Simulationen legen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nano­strukturierung der Absorber­schichten noch weiter steigern ließe. Ein Wirkungsgrad von deutlich über dreißig Prozent könne erreichbar sein, davon sind die Forschenden überzeugt. Das Rennen ist offen.

HZB / JOL

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