Neuer Rekord für Perowskit-Silizium-Tandem

Die Steigerung der Energie­umwandlungs­effizienz von Solarzellen ist aus zwei Gründen wichtig: Langfristig ist dies die effektivste Methode zur Senkung der Strom­entstehungskosten. Kurzfristig ist es die beste Möglichkeit zur Förderung von Photovoltaik­anwendungen für kleine Flächen wie Dächer, Fassaden, Fahrzeuge oder auch Drohnen. Grundsätzlich sind alle Solarzellen durch die Eigen­schaften der verwendeten Materialien limitiert, was wiederum den möglichen Wirkungsgrad begrenzt. Am weitesten verbreitet sind heute Solar­technologien mit Silizium, ein Material, das trotz seines Erfolges theoretisch einen maximalen Wirkungsgrad von rund 29 Prozent hat. Übliche Wirkungs­grade dieser Technologie liegen knapp unter 27 Prozent, womit nur eine sehr kleine Spanne für künftige Effizienz­steigerungen bleibt.

Im Wettstreit um immer höhere Wirkungs­grade haben Wissenschaftler der Siliziumzelle eine oder mehrere Solarzellen hinzugefügt und Tandem-Solarzellen entwickelt. Das energie­intensivere sichtbare Licht der Sonne wird von der oberen Zelle aufgenommen, während das energie­ärmere Infrarotlicht von der Siliziumzelle auf der Rückseite des Tandems absorbiert wird. Halogenidperowskite haben sich als ideale Ergänzung für Silizium herausgestellt, weil sie sichtbares Licht effizienter in elektrische Energie umwandeln können als Silizium alleine, und dies ohne übermässige Steigerung der Produktions­kosten. „Wir haben eine psychologische Hürde genommen“, so Christophe Ballif, Direktor des Photovoltaik-Labors der EPFL. „Wir haben das Hocheffizienz­potenzial von Perowskit-Silizium-Tandems experimentell validiert. Die Wirkungsgrad-Marke von dreißig Prozent wurde bereits mit anderen Materialien erreicht, speziell mit III-V-Halb­leitern, allerdings waren hier die Materialien und Verfahren zu kostenintensiv, um die Energiewende zu unterstützen: Diese Elemente sind tausendmal so teuer wie Silizium-Solarzellen. Unsere Ergebnisse zeigen erstmals, dass die 30 Prozent-Schallmauer auch mit kosten­günstigen Materialien und Verfahren durchbrochen werden kann, wodurch sich neue Zukunfts­perspektiven für Photovoltaik ergeben“, sagt Ballif.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, den Wirkungsgrad von zwei verschiedenen Perowskit-Silizium-Tandems zu steigern. Im ersten Verfahren passten Sie die Materialien und Herstellungs­techniken so an, dass sich Perowskit-Schichten in hoher Qualität aus einer Lösung auf einer planarisierten Silizium­oberfläche anlagern können womit bei einer Solarzelle von einem Quadrat­zentimeter eine Energieausbeute von 30,93 Prozent erreicht wird. Im zweiten Verfahren arbeiteten sie an einer neuen Version einer hybriden Technik, die Verdampfungs- und Lösungsmittel­verfahren kombiniert und auch auf texturierten Silizium­oberflächen funktioniert, und entwickelten so eine ebenso kleine Solarzelle, deren Energieausbeute 31,25 Prozent beträgt. Mit diesen Ergebnissen wurden zwei neue Weltrekorde aufgestellt: eine für glatte und eine für texturierte Solarzellen­architektur. Der zweite Ansatz liefert mehr Strom und ist mit der Struktur gängiger industrieller Silizium­solarzellen kompatibel. Der vorherige Wirkungs­gradrekord von Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen war 2021 von einem Team des Helmholtz Zentrums Berlin aufgestellt worden und lag bei 29,8 Prozent. 

„Auf die hervor­ragenden Wirkungsgrade muss nun weitere Forschung und Entwicklung aufbauen, die eine Skalierung auf größere Flächen erlaubt und zudem gewährleistet, dass die neuen Zellen über eine normale Lebensdauer hinweg eine stabile Energie­ausbeute auf unseren Dächern und anderswo erbringen können“, sagt Quentin Jeangros von CSEM. „Tandem-Perowskit-Silizium-Techno­logien traute man einen Wirkungsgrad von über dreißig Prozent zu, doch nun wurde dieses lange vermutete Potenzial erstmals unter Beweis gestellt. Ich hoffe, dass dies den Weg für noch kosten­günstigere nachhaltige Strom­produktion ebnet“, so Christian Wolff von der EPFL.

EPFL / CSEM / JOL

Weitere Infos

• Photovoltaik-Labor, EPFL, Neuchâtel
• CSEM-Zentrum für nachhaltige Energie, Neuchâtel
• Best Research-Cell Efficiency Chart, National Renewable Energy Laboratory NREL, Phoenix