Ein internationales Forschungsteam von Photovoltaik-Wissenschaftler:innen hat einen entscheidenden Schritt in Richtung Industrialisierung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen gemacht. Sie konnten zeigen, dass eine Passivierung von Perowskit-Solarzellen in Kombination mit Silizium-Unterzellen möglich ist, die eine pyramidenförmige Oberflächenstruktur haben und die derzeit der Industriestandard für Solarzellen sind. Die Passivierung von solchen Zellen ist erstmals gelungen.

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bestehen aus einer Perowskit-Oberzelle und einer Silizium-Unterzelle. Diese Zelltechnologie gilt als der nächste große technologische Fortschritt in der Photovoltaik. Da Silizium-Solarzellen maximal 29,4 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln können und die Photovoltaik-Industrie dieses physikalische Limit schon fast erreicht hat sind neue Arten von Solarzellen nötig, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern.

Für die großflächige Produktion dieser Tandemsolarzellen wäre es vorteilhaft, eine Standard-Siliziumsolarzelle für die Unterzelle zu verwenden, da deren Herstellungsprozesse bereits gut etabliert sind. Diese Solarzellen sind strukturiert, da dies ihre Oberfläche vergrößert und Effizienz steigert. Die Strukturierung erschwert allerdings das Auftragen der Perowskit-Oberzelle. Eine qualitativ hochwertige Oberflächen-Passivierung der Perowskit-Schicht auf der pyramidenförmigen Oberfläche des Siliziums war bisher noch nicht gelungen.

Passivierung von Perowskit-Solarzellen führt zu tiefergehenden Feldeffekten

„Bislang wurde die effektive Passivierung auf volltexturierten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen noch nicht vollständig genutzt, wobei frühere Erfolge weitgehend auf Solarzellen mit flachen Oberflächen beschränkt waren. Aber wir haben jetzt eine ausgezeichnete Passivierung erreicht, indem wir 1,3-Diaminopropan-Dihydroiodid auf die unebene Perowskit-Oberfläche abgeschieden haben“, sagt Oussama Er-Raji, Hauptautor des Papers und Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. Die passivierten Tandemsolarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von bis zu 33,1 Prozent mit einer Leerlaufspannung von 2,01 Volt.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachteten auch, dass die Passivierung der Perowskit-Oberzelle die Leitfähigkeit und damit den Füllfaktor der Zelle verbesserte. Sie bewiesen, dass diese Verbesserung auf einen tiefergehenden Feldeffekt zurückzuführen ist, der aus der Passivierung resultiert. Bei Siliziumsolarzellen wirkt die Passivierung nur auf die oberen Schichten, während bei Perowskit-Solarzellen die Oberflächenbehandlung die gesamte Schicht beeinflusst und deren Effizienz steigert.

Oberflächenpassivierung als Schlüssel zu hohen Wirkungsgraden

„Diese Erkenntnis bietet eine solide Grundlage für alle zukünftigen Forschungen in diesem Bereich«, sagt Stefaan De Wolf, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie angewandte Physik an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). „Es verbessert unser Verständnis der Prozesse, die in der Oberzelle stattfinden, während Licht in Elektrizität umgewandelt wird, und ermöglicht es Forschenden, dieses Wissen zu nutzen, um bessere Tandem-Solarzellen zu entwickeln.“

Stefan Glunz, Professor für Photovoltaische Energiewandlung an der Universität Freiburg und Direktor der Photovoltaik-Abteilung am Fraunhofer ISE, fügt hinzu: „Für die heutigen Siliziumsolarzellen war die Oberflächenpassivierung der Schlüssel zu hohen Wirkungsgraden in der industriellen Produktion, und es ist ermutigend, dass die PV-Industrie auch von diesen positiven Effekten für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen profitieren wird.“

Die Ergebnisse des Forschungsteams basieren auf Arbeiten in den Fraunhofer-Projekten „MaNiTU“, „PrEsto“ und „Perle“. Die beiden letzteren hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWE gefördert.

Die PV-Forschenden der KAUST, der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben ihre Ergebnisse zur Passivierung von Perowskit-Solarzellen im Journal Science veröffentlicht. Der vollständige Artikel ist unter diesem Link zu finden.

Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH