Monolithische Tandem-Solarzelle mit Rekord-Wirkungsgrad

Das organisch-anorganische Material Perowskit ist eine der größten Überraschungen in der Solarzellen­forschung: In nur sechs Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verfünffacht, darüber hinaus lassen sich Perowskit-Schichten aus Lösung herstellen und künftig kosten­günstig auf großer Fläche drucken.

Weil Perowskit-Schichten das Licht im blauen Spektrum sehr effizient nutzen, ist es interessant, sie mit Silizium-Schichten zu kombinieren, die vor allem das langwellige, rote und nah­infrarote Licht umwandeln. Doch der Bau solcher mono­lithischer Tandem­zellen aus einer Abfolge von aufeinander abgeschiedenen Schichten ist schwierig. Denn um hohe Effizienzen zu erhalten, werden die Perowskite üblicherweise auf Titandioxid­schichten aufgeschleudert, die zuvor bei knapp 500 Grad Celsius gesintert werden müssen. Solche Temperaturen vertragen jedoch die amorphen Silizium­schichten nicht, die bei Hetero-Siliziumzellen den kristallinen Siliziumwafer bedecken.

Einem Team um Bernd Rech und Lars Korte vom HZB gelang nun erstmals die Herstellung einer solchen mono­lithischen Tandem­zelle. Es gelang den Forschern, auf der Hetero-Silizium­zelle mit einem schonenden Verfahren eine Zinndioxid-Lage bei kleinen Temperaturen abzuscheiden. Auf diese Unterlage konnte dann eine dünne Perowskit-Schicht aufgeschleudert und mit einem Lochleiter­material bedeckt werden. Ein weiteres Schlüssel­element dieser Zell­architektur ist der transparente Topkontakt. Die dafür notwendigen Metalloxide werden durch Kathoden­zerstäubung abgeschieden und würden unter üblichen Bedingungen die sensible Perowskit-Schicht sowie den Lochleiter zerstören. Hier hat das Team vom HZB das Verfahren modifiziert und eine transparente Schutzschicht eingebaut.

Die Tandemzelle erreichte mit 18 Prozent einen Wirkungsgrad, der knapp 20 Prozent höher als die Wirkungsgrade der einzelnen Zellen ist. Die Leerlauf-Spannung beträgt 1,78 Volt. „Damit wäre diese Material­kombination sogar auch für die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht interessant“, sagt Steve Albrecht vom HZB, der das Probendesign der Tandemzelle entwickelt hat. „Der gemessene Wirkungsgrad ist mit 18 Prozent zwar schon sehr gut, aber aktuell geht noch Licht an den Oberflächen verloren“, erklärt er und plant weitere Verbesserungen. So könnten strukturierte Folien auf der Vorderseite Licht einfangen und in die Zelle einkoppeln, was den Wirkungsgrad weiter steigern würde. Auch die Silizium-Hetero­solarzelle, die hier die Bottom-Zelle und gleichzeitig das Substrat für die Perowskit-Topzelle bildet, bietet noch Potenzial für Verbesserungen. Die Zelle wird für das Perowskit-Silizium-Tandem im Moment noch auf einem glatten Silizium-Wafer hergestellt. Durch eine Strukturierung des Wafers mit Licht­einfang­strukturen, etwa Zufalls­pyramiden, könnte die Effizienz bis auf 25 oder sogar 30 Prozent gesteigert werden.

Fast noch wichtiger als maximale Wirkungsgrade aber ist die Integration in bestehende Technologien. „Aktuell beherrscht die Silizium-Technologie 90 Prozent des Marktes, das heißt, es gibt viele etablierte Produktions­anlagen für Silizium­zellen“, sagt Rech. „Die Perowskit-Schichten könnten den Wirkungsgrad erheblich steigern. Dafür müssten die Produktions­verfahren nur um wenige Schritte erweitert werden. Deshalb ist unsere Arbeit auch für die Industrie extrem interessant. Allerdings müssen die Probleme der Langzeit­stabilität und des Bleigehalts von Perowskit Solarzellen durch künftige Forschung gelöst werden!“

HZB / RK