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Erneuerbare Energien Tandemsolarzelle mit Rekord-Wirkungsgrad

Autor / Redakteur: Dr. Antonia Rötger* / Christian Lüttmann

Ein Tandemsystem aus Perowskit- und Silizium-Solarzelle erzielt den Rekordwirkungsgrad von 29,15%. Mit ihrer Entwicklung haben die Forscher des Helmholtz Zentrums Berlin damit den maximal möglichen Wirkungsgrad dieses Systems beinahe ausgereizt und schaffen so die Voraussetzung für die effizientere Nutzung von Sonnenenergie

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Die Illustration zeigt schematisch den Aufbau der Tandemsolarzelle.
Die Illustration zeigt schematisch den Aufbau der Tandemsolarzelle.
(Bild: Eike Köhnen/HZB)

Berlin – Elektrische Energie aus Sonnenlicht ist eine umweltfreundliche Lösung, den Energiehunger der Welt auch in Zukunft zu stillen. Deshalb arbeiten Forscher an immer besseren Solarzellen und versuchen, deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Eine Möglichkeit ist dabei die Kombination von Solarzellen zu Tandemzellen.

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.

Weltrekord bei 29,15%

Anfang 2020 hat ein Team um Prof. Dr. Steve Albrecht am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) den bisherigen Weltrekord bei Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit von 28,0% (Oxford PV) übertroffen und mit 29,15% einen neuen Weltrekord aufgestellt. Gegenüber der höchsten zertifizierten und wissenschaftlich publizierten Effizienz (26,2%), ist dies den Forscher zufolge ein großer Schritt nach vorne. Der neue Wert ist am Fraunhofer ISE zertifiziert und in der NREL-Chart verzeichnet. Nun haben die Wissenschaftler ihre Analysenergebnisse und Details zum Herstellungsprozess veröffentlicht.

Neben dem Rekord-Wirkungsgrad 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 darauf, die Substrat-Grenzfläche zu optimieren.

Perfekt gebettete Solarzellenschicht.

Mit Partnern aus Litauen entwickelten die HZB-Forscher eine Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstständig zu einer Monolage anordnen, einer so genannten self-assembled monolayer, kurz SAM.

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 und einer der Autoren der Studie ist.

Grenzflächen-Analyse legt Verbesserungspotenzial offen

Mit einer Reihe komplementärer Untersuchungsmethoden analysierten die Forscher die unterschiedlichen Prozesse an den Grenzflächen zwischen Perowskit, SAM und der Elektrode. „Wir haben insbesondere den so genannten Füllfaktor optimiert, der dadurch beeinflusst wird, wie viele Ladungsträger auf dem Weg aus der Perowskit-Unterzelle verloren gehen“, sagt 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“, erklärt 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.

Maximale Wirkung fast erreicht

Die optimierte Tandemsolarzelle ist nun schon nahe am maximal möglichen Wirkungsgrad dieses Systems: Die Forscher haben die beiden Unterzellen einzeln analysiert und einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 32,4% errechnet, welcher mit exakt diesem Aufbau erreicht werden kann. „Über 30% können wir sicher erzielen“, sagt Teamleiter Albrecht.

Originalpublikation: Amran Al-Ashouri, Eike Köhnen, Bor Li, Artiom Magomedov, Hannes Hempel, Pietro Caprioglio, José A. Márquez, Anna Belen Morales-Vilches, Ernestas Kasparavicius, Joel A. Smith, Nga Phung, Dorothee Menzel, Max Grischek, Lukas Kegelmann, Dieter Skroblin, Christian Gollwitzer, Tadas Malinauskas, Marko Jošt, Gašper Matič, Bernd Rech, Rutger Schlatmann, Marko Topič, Lars Korte, Antonio Abate, Bernd Stannowski, Dieter Neher, Martin Stolterfoht, Thomas Unold, Vytautas Getautis, Steve Albrecht: Over 29%- efficient Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell Enabled by Enhanced Hole Extraction , Science, 11 Dec 2020: Vol. 370, Issue 6522, pp. 1300-1309; DOI: 10.1126/science.abd4016

* Dr. A. Rötger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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