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Photovoltaik-ForschungPerowskit-Silizium-Zellen bei nahezu 30 Prozent Wirkungsgrad

Tandem-Solarzelle in einem Glasrahmen präsentiert
Mit bloßem Auge ist die ausgeklügelte Materialkombination der Tandemzelle des Helmholtz-Zentrums Berlin nicht zu erkennen. (Foto: Eike Köhnen/HZB)

Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium vermelden Wirkungsgradrekorde. Das Forscherteam vom Helmholtz-Zentrum Berlin hat nun die physikalischen Prozesse einer im Forschungsverbund hergestellten Zelle ausführlich beschrieben.

13.01.2021 – Tandemsolarzellen aus zwei Halbleitern können höhere Wirkungsgrade erreichen als reine Siliziumzellen. Dies liegt daran, dass solche Tandemzellen das Sonnenspektrum effizienter nutzen. So wandeln 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. Werden beide Materialien in Kombination genutzt, kann mehr Energie auf gleicher Fläche umgewandelt werden.

Bereits Anfang 2020 hat ein Forscherteam am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) mit solch einer Tandemsolarzelle einen Effizienzrekord von 29,15 Prozent aufgestellt. Nun folgt die wissenschaftliche Publikation in der Fachzeitschrift Science mit der genauen Erläuterung des Herstellungsprozesses und den Ergebnissen der Analysen.

Zwar wurde der Rekord der HZB-Wissenschaftler im Dezember 2020 bereits wieder von Oxford PV übertroffen (29,52 Prozent Wirkungsgrad), aber für den Herstellungsprozess der Zelle des HZB gibt es nun eine ausführliche Beschreibung.

Stabile und effiziente Laborzelle

„Die Rekordzelle unseres Forschungsteams wurde nicht verkapselt, das heißt ohne Glas oder Laminat 300 Stunden einem Leistungstest unterzogen, um die physikalischen Prozesse an den Übergängen besser messen und verstehen zu können“, erklärt Eike Köhnen vom HZB, Doktorand im Team von Studienleiter Steve Albrecht und geteilter Erstautor der Studie.  Die Stabilität über 300 Stunden hinweg ist neben dem erreichten Wirkungsgrad ein großer Forschungserfolg.

Mit Partnern aus Litauen entwickelten die Forscher eine Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstständig zu einer sogenannten Monolage anordnen. Das ist eine nur einen Nanometer dünne Schicht aus einzelnen Molekülen. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist im Schnitt 50.000 Nanometer dick. Sie nutzten dafür ein neuartiges Molekül auf Carbazol-Basis mit Methylgruppen.

Diese sich selbstständig anordnende Monolage (self-assembled monolayer, SAM) wird auf die Elektrode aufgebracht und soll das Abfließen der Ladungsträger verbessern. Auf diese Schicht wird dann das Perowskit abgeschieden bzw. aufgetragen.

Grenzflächen genau analysiert

Mit weiteren Untersuchungsmethoden analysierten die Forscher im Anschluss die unterschiedlichen Prozesse an den Grenzflächen zwischen Perowskit, SAM und der Elektrode. Sie konnten nachweisen, dass die SAM-Schicht erheblich beim Abtransport der Ladungsträger hilft und gleichzeitig zu einer besseren Stabilität der Perowskit-Schicht beiträgt.

Durch eine Kombination von Messungen, Modellierung und elektrischer Charakterisierung gelang es, die verschiedenen Prozesse an der Grenzfläche des Perowskit-Materials auseinanderzuhalten und zu ermitteln, wo die maßgeblichen Verluste herkommen.

Forschungsverbund ist international

Dabei waren viele Partner beteiligt, so die Kaunas University of Technology, Litauen, University of Ljubljana, 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 Teilzellen der Tandemzelle fanden am HZB statt.  

„Jeder Partner bringt seine besondere Expertise ein, daher konnten wir gemeinsam diesen Durchbruch erreichen“, meint Steve Albrecht. Der maximal mögliche Wirkungsgrad ist schon in Reichweite: Die Forscher haben die in der Tandemzelle verbundenen Silizium- und Perowskitzelle einzeln analysiert und einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 32,4 Prozent errechnet, welcher mit exakt diesem Aufbau erreicht werden kann. Ein Wirkungsgrad von über 30 Prozent rückt damit in greifbare Nähe.  

Nächster Meilenstein: Größere Zellen

Die Rekord-Solarzelle wurde im typischen Labormaßstab von einem Quadratzentimeter realisiert. Nun arbeiten die Forscher an verschiedenen Themen weiter. Sie erproben die Eigenschaften bei Verkapselung der Zelle und arbeiten daran, die Zelle auf ein Standardmaß für Solarzellen zu vergrößern. Das Abscheiden der Perowskit-Schicht auf die größere Fläche ist dabei eine der Herausforderungen.

Eike Köhnen schätzt, dass innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre erste Serienproduktionen von Tandemsolarzellen in die Modulfertigung gehen können. Der Hersteller Oxford-PV will bereits ab 2022 in Brandenburg an der Havel Tandemsolarzellen herstellen, allerdings zunächst noch in kleinen Mengen. pf


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