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ENERGIEWIRTSCHAFT
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Unter der Leitung von Prof. Christiane Becker, Prof. Bernd Stannowski und Prof. Steve Albrecht haben drei HZB-Teams einen neuen Rekordwirkungsgrad von 29,80 Prozent für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen erzielt, die komplett am HZB hergestellt wurden. Der Wert ist nun offiziell bestätigt und in den NREL-Charts verzeichnet. Damit ist die 30-Prozent-Schwelle in greifbare Nähe gerückt.
Heutige Solarmodule bestehen überwiegend aus Silizium, und das Potenzial für weitere Effizienzsteigerungen ist bereits weitgehend ausgeschöpft. Seit 2008 ist jedoch die Materialklasse der „Metallhalogenid-Perowskite“ in den Fokus der Forschung gerückt: Diese Halbleiterverbindungen wandeln Sonnenlicht recht effektiv in elektrische Energie um und bieten noch viel Raum für Entwicklung. Sie können beispielsweise mit Silizium-Solarzellen zu Tandem-Solarzellen gepaart werden, 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 deren Kombination 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. Noch vor Weihnachten 2020 konnte die Firma Oxford PV einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % vermelden. Seitdem läuft das spannende Rennen um neue Rekorde. „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, ergänzt: „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.“
Der Schwerpunkt der jüngsten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten lag auf der optischen Verbesserung der Silizium-Heteroübergangs-Bodenzelle. Eine nanotexturierte Vorderseite und ein dielektrischer Rückreflektor wurden hinzugefügt. Jetzt kam die offizielle Bestätigung durch das Fraunhofer ISE CalLab: „Unsere neuen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen wurden unabhängig mit einem Weltrekordwirkungsgrad von 29,80 % zertifiziert“, freut sich Christiane Becker, Expertin für Nanostrukturen in Solarzellen und deren Auswirkungen auf die optischen und elektrischen Eigenschaften.
Für die neue Arbeit untersuchten Dr. Philipp Tockhorn (Gruppe Albrecht) und Doktorand Johannes Sutter (Gruppe Becker), wie Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen die Leistung einer Tandem-Solarzelle beeinflussen, 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.“
Auch die Rückseite der Tandem-Solarzelle, die das Infrarotlicht zurück in den Siliziumabsorber reflektieren soll, wurde verbessert. „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 (Stannowski-Gruppe).
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. Das Rennen ist eröffnet.