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Forscher erzielen Wirkungsgrad-Weltrekord von Perowskit-Solarzellen mit über 29 Prozent

© Köhnen / HBZ - Aufbau Tandemsolarzelle© Köhnen / HBZ - Aufbau TandemsolarzelleBerlin – Ein Forscherteam am Helmholtz-Zentrum Berlin für Material und Energie (HZB) hat Anfang 2020 den bisherigen Wirkungsgrad-Weltrekord bei Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit geknackt. In der Zeitschrift Science berichtet das HZB-Team nun, wie der neue Weltrekord erreicht werden konnte.

Ein großes Team um Prof. Dr. Steve Albrecht am HZB hat den bisherigen Weltrekord bei Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit von 28,0 % (Oxford PV) übertroffen und mit 29,15 % einen neuen Weltrekord aufgestellt. Auch Wirkungsgrade von über 30 Prozent sind mit der neuen Konfiguration möglich.

Solarzellen-Wirkungsgrad: Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit sind effizienter
Solarzellen aus zwei Halbleitern mit unterschiedlichen Bandlücken (Differenz zwischen Valenzband und Leitungsband) können als Tandem zusammen deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen als jede Unterzelle für sich. Im Ergebnis nutzen Tandemzellen die Bandbreite des Sonnenspektrums effizienter. Die bewährten Silizium-Solarzellen wandeln vor allem die infraroten Anteile des Lichts in elektrische Energie um, während bestimmte Perowskit-Verbindungen die sichtbaren Anteile des Sonnenlichts effektiv nutzen können.

Neuer Weltrekord mit 29,15 Prozent Wirkungsgrad – Optimierung der Grenzfläche
„Der Wirkungsgrad von 29,15 % ist nicht nur der Rekord für diese Technologie, sondern bildet in der NREL-Chart die Spitze der gesamten Kategorie“, sagt Eike Köhnen, Doktorand im Team von Steve Albrecht und geteilter Erstautor der Studie. Gegenüber der höchsten zertifizierten und wissenschaftlich publizierten Effizienz (26,2 % in DOI: 10.1126/science.aba3433) ist dies ein großer Schritt und Meilenstein nach vorne. Der neue Wert wurde am Fraunhofer ISE zertifiziert und in der NREL-Chart verzeichnet.

Darüber hinaus zeichnet sich die neue Perowskit/Silizium Tandemzelle durch eine Stabilität von mehr als 300 Stunden unter kontinuierlicher Belastung an Luft aus, und zwar ohne durch eine Verkapselung geschützt zu werden. Das Team verwendete eine komplexe Perowskit-Komposition mit 1,68 eV Bandlücke und konzentrierte sich auf die Optimierung der Substrat-Grenzfläche.

Wie die Forscher den Wirkungsgrad der Solarzellen steigern konnten - Verlustbegrenzung
Mit Partnern aus Litauen (Gruppe um Prof. Vytautas Getautis) entwickelten die Forscher eine Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstständig zu einer Monolage (self-assembled monolayer, SAM) anordnen. Sie nutzten dafür ein neuartiges Molekül auf Carbazol-Basis mit Methylgruppen (Me-4PACz). Diese SAM wird auf der Elektrode aufgebracht und soll das Abfließen der Ladungsträger verbessern. „Wir haben sozusagen zuerst das perfekte Bett eingerichtet, auf das sich die Perowskit-Schicht legt“, sagt Amran Al-Ashouri, der ebenfalls im Team von Albrecht promoviert und geteilter Erstautor der Studie ist. Anschließend analysierten die Forschenden die unterschiedlichen Prozesse an den Grenzflächen zwischen Perowskit, SAM und der Elektrode.

Durch eine Kombination aus Photolumineszenz-Spektroskopie, Modellierung, elektrischer Charakterisierung und Terahertz-Leitfähigkeitsmessungen gelang es den Wissenschaftlern, die verschiedenen Prozesse an der Grenzfläche des Perowskit-Materials zu separieren und konkret zu ermitteln, wo die maßgeblichen Verluste herkommen.

Durchbruch: Maximaler Wirkungsgrad von 32,4 Prozent möglich
Am Weltrekord-Erfolg sind viele Partner beteiligt, so die Kaunas University of Technology, Litauen, University of Ljublana, Slowenien, University of Sheffield, UK, die Universität Potsdam sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin und die Technische Universität Berlin, wo Albrecht eine Juniorprofessur hält. Die Arbeiten an den beiden Unterzellen fanden im HySPRINT-Labor und am PVcomB am HZB statt.

„Jeder Partner bringt seine besondere Expertise ein, daher konnten wir gemeinsam diesen Durchbruch erreichen“, so Albrecht. Der maximal mögliche Wirkungsgrad ist danach auch schon in Reichweite: Die Forscher haben die beiden Unterzellen einzeln analysiert und einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 32,4 % errechnet, welcher mit exakt diesem Aufbau erreicht werden kann. „Über 30 % können wir sicher erzielen“, ist Albrecht zuversichtlich.

© IWR, 2021


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