Tandem-Solarzellen en masse?

Wenn man zwei Solarzellen übereinander legt, von denen eine halb transparent ist, dann lässt sich ein größerer Anteil der Lichtenergie in Strom umwandeln. Bislang wurde die aufwändige Technik vorwiegend in der Raumfahrt eingesetzt. Für die Massenproduktion waren diese Tandem-Zellen zu teuer. Ein Forscher­team um Stephan Bücheler und Ayodhya  Tiwari vom Labor für Dünnschicht und Photovoltaik der Empa hat es nun geschafft, eine preisgünstige Tandem-Solarzelle herzustellen, die sich auf flexible Kunststofffolien auftragen lässt. Ein wichtiger Meilenstein zur Massenproduktion hoch effizienter Solarzellen ist damit erreicht.

Die Forscher erzeugen die zusätzliche Solarzellenschicht in einem Niedrig­temperatur­verfahren bei nur 50 Grad Celsius. Das verspricht für künftige Herstellungsprozesse einen Energie und Kosten sparenden Produktionsschritt. 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 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 Fussballschicht wird sozusagen „lauwarm" der Perowskit aufgedampft. Dieser Zauberkristall 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 eine CIGS-Zelle (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid).

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 kann Substanzen mit verschiedenen Bandlücken kombinieren und so einen größeren Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln.

Während sehr gute einstufige Solarzellen maximal 25 Prozent der Sonnen­energie in Strom umwandeln, könnten Tandem-Solarzellen auch die 30-Prozent-Marke knacken, sagt Ayodhya Tiwari, Leiter des Labors für Dünnschicht und Photovoltaik. Doch bis dahin sei noch viel Forschungsarbeit nötig. „Was wir jetzt erreicht haben, ist erst der Anfang. Wir brauchen viel interdisziplinäre Erfahrung und eine große Zahl an Kombinations-Experimenten, bis eine halbtransparente Hochleistungszelle zusammen mit der passenden Basiszelle gefunden ist."

Stephan Bücheler, der in Tiwaris Team die Laborforschung koordiniert, weist darauf hin, dass das Wettrennen um Effizienzen in der Solarzellenforschung beileibe nicht nur ein akademisches Schaulaufen ist. „Bei der Herstellung von Solarstrom wird nur die Hälfte der Kosten durch die Solarmodule selbst verursacht. Die andere Hälfte der Kosten kommt von der Infrastruktur: Wechselrichter, Verkabelung, Tragekonstruktionen für die Zellen, Ingenieurs­kosten und Installation. All diese Nebenkosten sinken, wenn die Solarzellen effizienter werden und folglich kleiner gebaut werden können." Effiziente Solarzellen sind damit der Schlüssel zu preisgünstigem Ökostrom.

Empa / PH