Beeindruckende Entwicklung: Tandemsolarzelle

Die weltbesten Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle können heute ca. ein Drittel der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Das sind Rekordwerte, insbesondere für eine potentiell sehr preisgünstige Technologie. Ein Team am HZB liefert nun erstmals die wissenschaftlichen Daten und beschreibt in der Fachzeitschrift Science, wie diese Entwicklung gelungen ist.
„Diese Leistung war nur möglich, weil wir am HZB sowohl Expertise zu Silizium-Hetero-Solarzellen als auch zu Perowskit-Solarzellen aufgebaut haben und sehr eng zusammenarbeiten“, sagt Prof. Dr. Steve Albrecht, der am HZB eine Forschungsgruppe zu Perowskit-Tandemsolarzellen leitet. So konnten die Perowskit-Fachleute aus dem HySPRINT Innovation Lab gemeinsam mit den Silizium-Experten vom PV-Kompetenzzentrum (PVcomB) bereits mehrfach Effizienz-Weltrekorde bei Tandem-Solarzellen erreichen.
Auch die nun im Fachjournal Science erstmals genau beschriebene Tandemsolarzelle hatte einen Weltrekord im Wirkungsgrad erzielt und im Dezember 2022 damit Schlagzeilen erzeugt: Sie wandelt 32,5% des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dieser Weltrekord blieb bis Mitte April 2023 erhalten, erst dann hat eine Gruppe aus dem PV-Lab im arabischen Forschungszentrum KAUST diesen Rekord übertroffen. Das Forschungsfeld ist äusserst wettbewerbsorientiert, weltweit arbeiten viele Gruppen auf diesem Gebiet. Nun hat das HZB-Team wieder zuerst eine solide und wissenschaftlich streng begutachtete Fachpublikation mit genauen Datensätzen aus den Messungen sowie detaillierten Angaben zum Aufbau der Tandemzelle vorgelegt.
Albrecht setzte vor allem auf eine deutlich verbesserte Perowskit-Verbindung und eine raffinierte Modifikation der Oberfläche mittels eines neuartigen Moleküls Piperazinium Iodid, die von den Postdocs Dr. Silvia Mariotti und Dr. Eike Köhnen entwickelt wurde. Dadurch gelang es, die Ladungsrekombination weitgehend zu unterdrücken und die damit verbundenen Verluste deutlich zu reduzieren. Mit speziellen Messmethoden konnten die Forscher*innen die grundlegenden Prozesse an den Grenzflächen und in den einzelnen Schichten der Tandemzelle im Detail analysieren und dann - basierend auf einem vertieften Verständnis - weiter optimieren. Die Entwicklungen wurden anschliessend kombiniert und auf Tandemsolarzellen übertragen, wobei weitere Anpassungen der Topelektrode für eine verbesserten Optik hinzugefügt wurden. An der Herstellung und Entwicklung der Tandemzellen waren viele Expertinnen und Experten von verschiedenen Instituten beteiligt: So hat eine Gruppe an der Universität Potsdam opto-elektronische Messungen der Einzel und Tandemzellen durchgeführt; die neuartigen Moleküle zur Modifikation der Oberfläche wurden im Joxe Mari Korta Center in San Sebastian, Spanien, synthetisiert und ein Team der Technischen Universität in Kaunas, Litauen, hat dabei geholfen die neuen Perowskitverbindungen mit sehr hoher Filmqualität zu prozessieren. Erst die Kombination aller Modifikationen ermöglichte es, Höchstwerte der Photospannung (Leerlaufspannung), sowie des Photostroms und folglich in Punkto Effizienz zu erzielen.

Beeindruckende Entwicklung der letzten Jahre
In den letzten Jahren gab es eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgradwerte durch verschiedene Forschungseinrichtungen und Photovoltaik-Firmen weltweit. Speziell die letzten zwei Jahre waren dabei sehr aufregend: Teams des HZB konnten Ende 2021 für Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit den Rekordwert von knapp unter 30% (29,8%) erzielen. Sie hatten dafür spezielle, periodische Nanotexturen in die Solarzellen eingebracht. Im Sommer 2022 meldete die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz, eine zertifizierte Tandemzelle mit 31,3% Effizienz. Von Dezember 2022 bis Mitte April 2023 lag der Weltrekord mit 32,5% wieder am HZB, bis das KAUST Photovoltaics Laboratory in Saudi-Arabien eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle mit 33;2% im Labor demonstriert hat. Diesen konnte das KAUST im Mai 2023 sogar auf 33,7% erhöhen. „Wir freuen uns über diese enormen Fortschritte in unserer Wissenschaftsdisziplin“, betont Albrecht. „Sie geben uns die Hoffung, dass diese Technologie in den nächsten Jahren einen grossen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung im Kampf gegen den Klimawandel leisten kann, weil auch die Aufskalierung und industrielle Produktion von Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen machbar ist.“
Der wissenschaftliche Geschäftsführer des HZB, Prof. Bernd Rech, sagt: "Damit ist der Solarzellenwirkungsgrad Silizium/Perowskit-Tandemzellen jetzt in Bereichen, die bisher nur von teuren III/V Halbleitern erreicht wurden.“ Die Technologien zur Produktion solcher Tandemsolarzellen sind im Prinzip schon verfügbar, nun geht es um weitere Verbesserungen im Bereich der Stabilität im Ausseneinsatz.