Solarmodule optimieren Mit neuer Schicht zu besserem Wirkungsgrad bei Solarzellen

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Solarzellen aus günstig produziertem Czochralski-Silizium haben aufgrund von Oberflächendefekten einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad. Mittels einer Beschichtung aus organischen Molekülen ist es Forscher aus China gelungen, diesen Nachteil abzumildern und die Effizienz von Tandem-Solarzellen aus Silizium und Perowskit deutlich zu steigern.

In Solarzellen „schlägt“ Licht Elektronen aus einem Halbleitermaterial heraus und hinterlässt positiv geladene „Löcher“. Diese Ladungsträger werden voneinander getrennt und können als Strom abgeführt werden. Um das Spektrum des Sonnenlichts besser auszunutzen und so den Wirkungsgrad zu erhöhen, wurden Tandemzellen entwickelt: Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleitern, die Licht verschiedener Wellenlängenbereiche absorbieren. In Frage kommen Kombinationen aus Silizium, das vor allem rotes und nahinfrarotes Licht aufnimmt, und Perowskit (Calcium-Titan-Oxid), das sehr effektiv sichtbares Licht absorbiert.

Der Nachteil von günstigen Siliziumwafern

Monolithische Tandemzellen entstehen, indem ein Träger nacheinander mit den zwei Halbleitertypen beschichtet wird. Im Fall von Perowskit/Silizium gelingt dies auf Basis von Siliziumwafern, die im Zonenschmelz-Verfahren hergestellt wurden und eine polierte oder nanostrukturierte Oberfläche haben. Diese sind jedoch sehr teuer.

Deutlich kostengünstiger sind nach dem Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellte Siliziumwafer mit pyramidalen Strukturelementen im Mikrometermaßstab. Diese Mikrotexturen sorgen für einen besseren Lichteinfang, weil sie weniger reflektieren als eine glatte Oberfläche. Bei der Beschichtung mit Perowskit entstehenden jedoch Kristallgitter mit sehr vielen Defekten, die die elektronischen Eigenschaften verschlechtern. Zum einen wird die Weitergabe der freigesetzten Elektronen beeinträchtigt, zum anderen verlaufen Elektron-Loch-Rekombinationen vermehrt über strahlungslose Vorgänge. Dies hat zur Folge, dass Wirkungsgrad und Stabilität der Perowskit-Schicht abnehmen.

Solartechnologie

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Neue Beschichtung gleicht Defekte aus

Ein Forscherteam aus China hat jetzt eine Strategie zur Oberflächenpassivierung entwickelt, mit der sich die Oberflächendefekte der Perowskit-Schicht ausgleichen lassen. Eine Thiophenethylammonium-Verbindung mit einer Trifluormethylgruppe (CF3-TEA) wird durch eine dynamische Sprühbeschichtung aufgetragen. Dabei wird eine sehr einheitliche Abdeckung erreicht – auch auf mikrostrukturierten Oberflächen.

Dank der hohen Polarität und Bindungsenergie schwächt die CF3-TEA-Beschichtung die Wirkung der Oberflächendefekte sehr effektiv ab. Strahlungslose Rekombinationen werden unterdrückt und die elektronischen Niveaus werden so korrigiert, dass die Elektronen an der Grenzfläche effektiver an die elektroneneinfangende Schicht der Solarzelle abgegeben werden. So sorgt die Oberflächenmodifikation mit CF3-TEA dafür, dass Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen auf Basis gängiger texturierter Wafer aus Czochralski-Silizium sehr hohe Wirkungsgrade von fast 31 Prozent erreichen und lange Zeit stabil arbeiten. In der Veröffentlichung der Forschergruppe um Prof. Kai Yao von der Nanchang University berichten die Wissenschaftler, dass die gekapselten Bauelemente nach 600 Stunden Dauerbeleuchtung noch über 97 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung erbringen. Ein weiterer Schritt hin zu einer nachhaltigen Stromerzeugung mit Sonnenlicht.

Originalpublikation: Jun Chen, Shaofei Yang, Dr. Long Jiang, Ke Fan, Zhiliang Liu, Wentao Liu, Dr. Wei Li, Prof. Haitao Huang, Prof. Hong Zhang, Prof. Kai Yao: Surface Molecular Engineering for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells, Angewandte Chemie, First published: 11 June 2024; DOI: 10.1002/ange.202407151

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