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Wirkungsgrad liegt schon bei 20,5 Prozent

Empa macht Druck von Tandem-Solarzellen einfacher

23.11.2015, 09:30

Tandem-Solarzelle
Tandem-Solarzelle bringt mehr Solarertrag. © Empa

Forscher des Schweizer Forschungsinstituts Empa haben ein Verfahren entwickelt, das Tandem-Solarzellen in preisgünstiger Roll-to-Roll-Produktion möglich macht. Die Produktion erfolgt bei nur 50 Grad.

Die halbtransparente Perowskit-Solarzelle absorbiert UV-Licht und blaues sichtbares Licht. Rotlicht und Infrarot-Strahlung lässt sie durch. Auf dieser Basis lässt sich eine zweistufige "Tandem-Solarzelle" bauen, deren Wirkungsgrad weit höher liegt als bei einstufigen Solarzellen.

Für die Massenproduktion waren sogenannte Tandem-Zellen bislang zu teuer. Ein Empa-Team um Stephan Bücheler und Ayodhya N. Tiwari vom Labor für Dünnschicht und Photovoltaik hat es nun geschafft, eine preisgünstige Tandem-Solarzelle herzustellen, die sich auf flexible Kunststofffolien auftragen lässt. Der Clou an dem neuen Verfahren: Die Forscher erzeugen die zusätzliche Solarzellenschicht in einem Niedrigtemperaturverfahren bei nur 50 Grad Celsius.

Auf Anhieb erreichte die Tandem-Solarzelle einen Wirkungsgrad von 20,5 Prozent bei der Umwandlung von Licht in Strom. Sie liegt damit auf Augenhöhe mit den besten bisher produzierten flexiblen Solarzellen der Welt. Dabei ist ihr Potential noch längst nicht ausgeschöpft, wie die Empa-Forscher betonen.

Der Schlüssel zu dem Doppel-Erfolg war die Entwicklung einer halbtransparenten Solarzelle aus Methyl-ammonium-Bleiiodid, das sich in Form winziger Perowskit-Kristalle abscheidet. Als Unterlage für den Perowskit dient eine Substanz mit dem Kürzel PCBM (Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester). Jedes Molekül PCBM enthält 61 Kohlenstoff-Atome, die in Form eines Fußballs miteinander verknüpft sind. Auf diese Schicht wird sozusagen "lauwarm" der Perowskit aufgedampft. Dieser Kristall schluckt UV-Strahlen und den blauen Anteil des sichtbaren Lichts und verwandelt diese in Strom.

Rotes Licht und Infrarot-Strahlung lässt der Kristall jedoch passieren. So können die Forscher unter der halbtransparenten Perowskit-Zelle eine weitere Solarzelle anordnen, die das restliche Licht in Elektrizität umwandelt. Als untere Schicht der Tandem-Solarzelle dient den Empa-Forschern eine CIGS-Zelle (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) – eine Technik, an der das Team bereits seit Jahren forscht. Auf Basis der CIGS-Zellen läuft bereits eine Kleinserien-Produktion für flexible Solarzellen.

Der Vorteil von Tandem-Solarzellen liegt in der besseren Ausnutzung des Sonnenlichts. Eine Solarzelle kann nur Strahlung umwandeln, deren Energie größer ist als die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials. Ist die Strahlung schwächer, entsteht kein Strom. Ist die Strahlung energiereicher, dann wird die überschüssige Strahlungsenergie in Wärme verwandelt und geht verloren. Eine zweistufige Solarzelle wie die Perowskit-CIGS-Zelle der Empa kann Substanzen mit verschiedenen Bandlücken kombinieren und so einen größeren Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln. Mehr als 30 Prozent Effizienz sind möglich.

"Was wir jetzt erreicht haben, ist erst der Anfang. Bis dieses Ziel erreicht ist, müssen noch etliche Hürden genommen werden. Wir brauchen dazu viel interdisziplinäre Erfahrung und eine große Zahl an Kombinations-Experimenten, bis eine halbtransparente Hochleistungszelle zusammen mit der passenden Basiszelle gefunden ist", sagt Ayodhya Tiwari, Leiter des Labors für Dünnschicht und Photovoltaik. Quelle: Empa / pgl

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