HZB – Team erzielt weltweit besten Wirkungsgrad bei Solarzellen

HZB – Team erzielt weltweit besten Wirkungsgrad bei Solarzellen

6. Dezember 2021 0 Von Horst Buchwald

HZB – Team erzielt weltweit besten Wirkungsgrad bei Solarzellen

Berlin, 7.12.2021

Drei Teams vom Helmholtz Center in Berlin (HZB) um die Professoren Christiane Becker, Bernd Stannowski und Steve Albrecht haben es geschafft, den Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen, die komplett am HZB hergestellt wurden, auf einen neuen Rekordwert von 29,80 % zu steigern. Der Wert wurde jetzt offiziell zertifiziert und ist in den NREL-Charts dokumentiert. Damit rückt die 30-Prozent-Marke in greifbare Nähe.

Heutige Solarmodule bestehen hauptsächlich aus Silizium, und die Möglichkeiten zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads sind bereits weitgehend ausgeschöpft. Doch seit 2008 ist die Materialklasse der “Metallhalogenid-Perowskite” in den Fokus der Forschung gerückt: Diese Halbleiterverbindungen wandeln Sonnenlicht sehr gut in elektrische Energie um und bieten noch viel Raum für Verbesserungen. Insbesondere lassen sie sich mit Silizium-Solarzellen zu Tandem-Solarzellen kombinieren, die das Sonnenlicht wesentlich effizienter nutzen.

Am HZB arbeiten mehrere Gruppen seit 2015 intensiv sowohl an den Perowskit-Halbleiter- als auch an den Silizium-Technologien und der Kombination beider zu innovativen Tandem-Solarzellen. Im Januar 2020 hatte das HZB einen Rekordwert von 29,15 Prozent für eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erreicht und die Arbeit in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Nun begann ein heißer Wettbewerb um den höchsten Wirkungsgrad.

Im Dezember 2020 gab die Firma Oxford PV einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % bekannt. “Ein Wirkungsgrad von 30 Prozent ist wie eine psychologische Schwelle für diese faszinierende neue Technologie, die in naher Zukunft die Photovoltaik-Industrie revolutionieren könnte”, erklärt Steve Albrecht, der im HySPRINT-Labor am HZB an Perowskit-Dünnschichten arbeitet. Bernd Stannowski, Gruppenleiter für Siliziumtechnologie, ergänzte: “Besonders hervorheben möchte ich die gute Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Gruppen und Instituten am HZB. So ist es uns gelungen, diese neuen Tandem-Solarzellen komplett am HZB zu entwickeln und erneut einen Weltrekord zu erzielen.”

Für die neue Arbeit untersuchten Dr. Philipp Tockhorn (Gruppe Albrecht) und Doktorand Johannes Sutter (Gruppe Becker), wie sich Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandemsolarzelle auswirken, die aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle besteht. Zunächst berechneten sie mit einer Computersimulation die Fotostromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen. Dann stellten sie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit unterschiedlichen Texturen her: “Schon die Nanotexturierung auf einer Seite verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Fotostrom im Vergleich zu einer flachen Referenz”, sagt Sutter. Und sein Kollege Tockhorn ergänzt: “Bemerkenswerterweise führen die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandemsolarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskit-Schichten.”

Verbessert wurde auch die Rückseite der Tandemsolarzelle, die das Infrarotlicht zurück in den Siliziumabsorber reflektieren soll. “Durch die Verwendung eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Fotostrom führte”, sagt Dr. Alexandros Cruz Bournazou (Gruppe Stannowski).

Die Ergebnisse ebnen den Weg für weitere Verbesserungen. Die Simulationen deuten darauf hin, dass die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter gesteigert werden könnte. Die Forscher sind überzeugt, dass bald ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 % erreicht werden könnte.

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