Geschickt geschichtet

Die Massenfertigung von Silizium-Solarzellen nutzt PERC-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom HZB und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) gezeigt, dass solche Standard-Silizium-Zellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskit-Topzellen geeignet sind. Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandem­zelle zwar noch unterhalb dem von optimierten PERC-Zellen allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 Prozent gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Tandemzellen aus Silizium und Perowskit sind in der Lage, das breite Energie­spektrum des Sonnenlichts effizienter in elektrische Energie umzuwandeln als die jeweiligen Einzel-Zellen. Nun ist es zwei Teams vom HZB und dem ISFH Hameln erstmals gelungen, eine Perowskit-Topzelle mit einer PERC/POLO-Silizium-Zelle zu einem Tandem-Bauelement zu kombinieren. Das Besondere: PERC-Silizium-Zellen auf p-Typ-Silizium sind das Standardprodukt der Photovoltaik, mit einem Marktanteil von mehr als 50 Prozent aller weltweit produzierten Solarzellen. Sie sind weitgehend optimiert, temperatur- und langzeit­stabil. Deshalb ist es für die Kommerzialisierung einer Perowskit-Silizium-Tandem-Technologie besonders interessant, ein „Perowskit-Tandem-Upgrade“ für PERC-Zellen zu entwickeln. Die Kooperation fand im Rahmen des Verbund­projekts P3T statt, das vom HZB koordiniert wird.

Das Team am ISFH hat für den Rückseitenkontakt der Silizium-Bottomzellen einen industrie­kompatiblen PERC-Prozess genutzt. Auf der Vorderseite des Wafers kam mit dem POLO-Kontakt eine weitere industrie­fähige Technologie zum Einsatz, die hier für die kleinflächigen Proof-of-concept-Zellen angepasst wurde.

Die weiteren Prozessschritte fanden am HZB statt: Eine zinndotierte Indiumoxid-Rekombinations­schicht wurde als Kontakt zwischen den beiden Teilzellen aufgebracht. Darauf wurde eine Perowskit-Zelle mit einer Schichtfolge prozessiert, die der in der aktuellen HZB-Weltrekord-Tandem-Zelle auf n-Typ-Silizium-Hetero­junction-Zellen ähnelt. Die ersten so produzierten Perowskit-PERC/POLO-Tandemzellen erreichen auf einer aktiven Zell-Fläche von rund einem Quadratzentimeter einen Wirkungsgrad von 21,3 Prozent. Dieser Wirkungs­grad liegt in dieser Machbarkeits­studie also noch unterhalb des Wirkungs­grads von optimierten PERC-Zellen. „Erste experimentelle Ergebnisse und optische Simulationen deuten aber darauf hin, dass wir die Leistung durch Prozess- und Schicht­optimierung erheblich verbessern können“, erklärt Lars Korte, der korrespondierende Autor der Studie.

Die Experten schätzen das Potenzial für den Wirkungsgrad dieser Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen mit PERC-ähnlicher Unterzellen­technologie auf 29,5 Prozent. Erste Schritte zur weiteren Steigerung sind bereits im Blick: Silvia Mariotti aus dem HZB-Team hatte die Bedeckung der Silizium-Oberfläche durch das Perowskit als Verbesserungs­potential identifiziert: „Man könnte dazu die Oberfläche der Silizium-Wafer anpassen und so rasch die Effizienz auf zirka 25 Prozent steigern“, sagt Mariotti. Das liegt dann bereits deutlich über der Effizienz von PERC-Einzel-Zellen.

HZB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Mariotti et al.: Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Fabricated Using Industrial p-Type Polycrystalline Silicon on Oxide/Passivated Emitter and Rear Cell Silicon Bottom Cell Technology, Solar RRL, online 8. Februar 2022; DOI: 10.1002/solr.202101066
• Perowskit-Tandemsolarzellen (S. Albrecht), Helmholtz-Zentrum Berlin