Vollständig skalierbare Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzelle

Einen Prototyp für vollständig skalierbare Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt. Die Module haben einen Wirkungsgrad bis 19,1 Prozent auf einer Aperturfläche von 12,25 Quadrat­zentimetern. Ermöglicht wurde dies durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads mit gezieltem Licht­management, eine Hoch­durchsatz-Laser-Strukturierung und den Einsatz industriell etablierter Beschichtungs­verfahren.

In den vergangenen Jahren haben sich Solarzellen aus Perowskit-Halbleitern dank hoher Wirkungsgrade und niedriger Herstellungs­kosten als besonders viel­ver­sprechend erwiesen. Die Effizienz einer Perowskit-Einzelzelle ist trotz der enormen Entwicklung allerdings begrenzt. Überwinden lässt sich diese Begrenzung durch das Stapeln von zwei Solarzellen mit unter­schied­lichen Bandlücken. Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Material­eigenschaft, die denjenigen Teil des Licht­spektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbiert, um Strom zu erzeugen.

Tandem-Solarzellen nutzen einen breiteren Teil des Licht­spektrums und liefern mehr Strom, bieten also höhere Wirkungsgrade. Perowskit-Solarzellen mit abstimmbarer Bandlücke eignen sich ideal als Tandem­partner für Solarzellen aus anderen Materialien, aber auch für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen. Diese zeichnen sich aus durch kosten­günstige Herstellung, Verarbeitung mit lösungs­basierten Verfahren, mechanische Flexibilität und die Freiheit, verschiedene Einzel­zellen mit unter­schied­lichen Perowskit-Bandlücken zu kombinieren.

Die Forschung geht davon aus, dass Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule zukünftig hohe Markt­anteile erobern werden, sofern sie die Anforderungen an Stabilität und Skalier­bar­keit erfüllen. Skalier­bar­keit bedeutet, dass sich Entwick­lungen auf größere Maßstäbe und auf die Massen­fertigung übertragen lassen.

Die Abteilung von Ulrich Paetzold am Institut für Mikro­struktur­technik und am Lichttechnischen Institut des KIT hat jetzt erfolgreich einen Prototyp für die Skalierung hoch­effi­zienter Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule entwickelt. Es gelang den Forschern, Perowskit-Einzel­zellen mit Wirkungs­graden bis 23,5 Prozent bei einer Apertur­fläche von 0,1 Quadrat­zentimetern zu Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodulen mit Wirkungsgraden bis 19,1 Prozent bei einer Aperturfläche von 12,25 Quadrat­zentimetern aufzu­skalieren.

Die Aperturfläche ist der nutzbare, nicht von Elektroden, Rahmen oder Befestigungen verdeckte Teil der Fläche. Bei der Aufskalierung ist der Wirkungs­grad­verlust mit relativ circa fünf Prozent gering. „Dieses ist das weltweit erstmals gemeldete Ergebnis eines Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmoduls“, sagt Team-Mitglied Bahram Abdollahi Nejand.

Das Ergebnis basiert auf drei Innovationen: Die Forscher steigerten den Wirkungsgrad durch gezieltes Licht­management, das heißt Optimieren des Lichtwegs und Reduzieren von Reflexion in der Solar­zellen­architektur. Sie verwirk­lichten ein effizientes Layout für Tandem-Solarmodule mithilfe einer Hoch­durchsatz-Laser-Struktu­rierung, die es ermöglicht, funktions­fähige Tandem-Solar-Minimodule mit zweipolig miteinander verbundenen Zellstreifen herzustellen. Schließlich verwendeten die Forscher Beschichtungs­verfahren wie Rakeln und Vakuum­abscheidung, die in der Industrie bereits etabliert sind.

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. A. Nejand et al.: Scalable two-terminal all-perovskite tandem solar modules with a 19.1% efficiency, Nat. Energy, online 7. Juli 2022; DOI: 10.1038/s41560-022-01059-w
• Next Generation Photovoltaics (U. W. Paetzold), Institut für Mikrostrukturtechnik, Karlsruher Institut für Technologie