Ein internationales Team um Erkan Aydin, Forschungsgruppenleiter an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat eine neue Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle entwickelt. Zentrales Element eine optimierte selbstorganisierte Monoschicht (Self-Assembled Monolayer, SAM). Diese nur wenige Nanometer dünne molekulare Schicht sorgt dafür, dass elektrische Ladungen effizient zu den Ladungssammelschichten strömen können. Auf pyramidenförmig strukturierten Siliziumoberflächen neigen herkömmliche SAM mit einfachen Alkylketten jedoch dazu, ungleichmäßig zu aggregieren. Das schränkt die Leistungsfähigkeit der Solarzellen ein.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Photovoltaik-Forscher:innen ein spezielles Molekül. Seine besondere Struktur verbessert den Ladungstransport selbst auf rauen Oberflächen und schafft damit die Grundlage für eine stabile Grenzfläche. Bei Analysen machte das Team eine überraschende Beobachtung: Eine handelsübliche SAM-Vorstufe enthielt winzige Mengen bromhaltiger Verunreinigungen. Diese erwiesen sich als äußerst nützlich, da sie Defekte an der Grenzfläche neutralisieren und so die Effizienz der Solarzellen steigern. „Dass eine so kleine chemische Veränderung eine derart große Wirkung entfalten kann, hat uns selbst überrascht“, erklärt Projektleiter Aydin. „Diese Erkenntnis zeigt, wie entscheidend das präzise Zusammenspiel von Materialien auf molekularer Ebene für den Energieertrag neuartiger Solarzellen ist.“

Die Forschenden kombinierten bromierte und nicht bromierte Moleküle, um die positiven Effekte des Broms zu nutzen, ohne die chemische Stabilität zu beeinträchtigen. Ihre neu entwickelte SAM-Struktur ermöglicht verglichen mit herkömmlichen SAM eine dichtere Molekülpackung und eine bessere Passivierung der Grenzfläche – was wiederum höhere Wirkungsgrade, eine gesteigerte Stabilität und eine effizientere Ladungsextraktion bewirkt.

Neue Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erzielt 31,4 Prozent Wirkungsgrad

Durch diese gezielte Feinsteuerung auf Molekülebene erreichte das Team ein Wirkungsgrad der Perowskit-Silizium-Tandemzelle von 31,4 Prozent. Besonders bemerkenswert ist laut den Forscher:innen, dass sie diese Werte auf industriell relevanten kristallinen Silizium-Bottom-Zellen erzielt haben. Neben der Effizienzsteigerung zeigte sich auch eine verbesserte Stabilität der Zellen über längere Zeiträume. Die dichtere molekulare Packung der neuen SAM schützt die empfindliche Grenzfläche vor Schäden auf molekularer Ebene.

„Als nächsten Schritt wollen wir zeigen, dass unsere Tandemzellen ihre Leistungsfähigkeit nicht nur im Labor unter Beweis stellen, sondern auch in beschleunigten Alterungstests, die Aufschluss über ihr Verhalten unter realen Umweltbedingungen geben“, sagt Aydin. „Parallel dazu prüfen wir, wie sich die Technologie für den Einsatz in der Raumfahrt anpassen lässt – insbesondere für Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen.“ Gerade in diesem Bereich wachse das Interesse an besonders leichten, leistungsfähigen und strahlungsresistenten Solarzellen rasant.

Kooperationspartner der LMU bei diesem Photovoltaik-Projekt sind die Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen in China, die City University of Hong Kong und die King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien.

Die wissenschaftliche Publikation des Forschungsteam über die neue Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle ist unter diesem Link zu finden.

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