Wirkungsgrad von 23,4 auf 25,5 Prozent verbessert

Neue Rekorde bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

Mit immer besseren Materialien und Fertigungsmethoden steigen die Wirkungsgrade der Photovoltaikzellen. © HZB

Einem Forscherteam am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ist es gelungen, den Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf 25,5 Prozent zu steigern, dem höchsten Wert, der bis jetzt publiziert werden konnte. Schlüssel zum Erfolg sind mikrofeine Strukturen auf der Unterseite der Siliziumschicht.

Tandemsolarzellen aus Silizium und Metall-Halid Perowskit-Verbindungen können einen besonders großen Anteil des Sonnenspektrums in elektrische Energie umwandeln. Allerdings wird normalerweise ein Teil des Lichts reflektiert und geht damit für die Energieumwandlung verloren. Nanostrukturen können dafür sorgen, dass die Solarzelle mehr Licht einfängt. So werden zum Beispiel pyramidenförmige Strukturen in Silizium eingeätzt. Solche strukturierten und damit rauen Silizium-Schichten sind allerdings nicht mehr als Unterlage für die hauchdünnen Perowskit-Schichten geeignet.

Ein Team um den HZB-Physiker Steve Albrecht hat unterschiedliche Designs von Tandemzellen mit lichteinfangenden Strukturen untersucht. Am besten funktionierten Tandemzellen, deren Silizium-Schicht von unten strukturiert war. Die Schicht aus dem Mineral Perowskit konnte damit auf die glatte Seite des Siliziums aufgebracht werden.

Auf die Perowskit-Schicht brachten sie zusätzlich eine Polymer-Folie auf, die ebenfalls strukturiert war, eine so genannte Lichtmanagement-Folie (LM-Folie). "Auf diese Weise gelang es uns, den Wirkungsgrad einer monolithischen Perowskit-Silizium-Tandemzelle von 23,4  auf 25,5 Prozent deutlich zu verbessern", sagt Marko Jošt, Postdoktorand im Team von Albrecht.

Modellierung zeigt: bis zu 32,5 Prozent möglich

Darüber hinaus haben Jošt und Kollegen ein ausgefeiltes numerisches Modell für solche komplexen 3D-Schichtstrukturen und ihre Wechselwirkung mit Licht entwickelt. Damit konnten sie berechnen, wie sich unterschiedliche Zell-Designs mit Texturen an verschiedenen Schnittstellen auf den Wirkungsgrad auswirken. "Aufgrund der komplexen Simulationen und empirischen Daten können wir abschätzen, dass sich sogar Wirkungsgrade von 32,5 Prozent erzielen lassen – sofern es uns gelingt, Perowskit mit einer Bandlücke von 1,66 Elektronenvolt einzubauen", erklärt Jošt.

Teamleiter Steve Albrecht ergänzt: "Wir haben auf der Basis von echten Wetterdaten den Energieertrag im Jahresverlauf berechnen können, und zwar für die verschiedenen Zelldesigns und für drei verschiedene Standorte." Die Simulationen zeigen, dass die LM-Folie auf der Oberseite der Zelle sich vor allem bei diffuser Beleuchtung, also nicht nur bei senkrechtem Lichteinfall, lohnt. Damit könnten Tandemzellen mit eingebauten LM-Folien sich auch für den Einsatz an Fassaden eignen: Mit der so genannten bauwerksintegrierten Photovoltaik (BIPV) werden aktuell riesige neue Flächen für die Energiegewinnung erschlossen. Quelle: HZB / sth

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