Tandem-Technologie: Höhere Effizienz durch Schichtkombination

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bestehen aus zwei übereinanderliegenden Halbleiterschichten. Die obere Perowskit-Schicht absorbiert kurzwelliges, energiereiches Licht. Die darunterliegende Siliziumzelle verwertet längerwellige Anteile. Zusammen nutzen sie das Solarspektrum breiter als reine Siliziumzellen und erzielen damit höhere Wirkungsgrade.

Das zentrale Fertigungsproblem: Die dünne Perowskit-Schicht muss großflächig, gleichmäßig und reproduzierbar auf die Siliziumzelle aufgebracht werden. Lösungsmittelbasierte Verfahren gelten als schwer skalierbar und wenig industrietauglich.

CSS-Verfahren: Zehn Minuten Prozesszeit ohne Lösungsmittel

Das KIT-Team setzt auf die Close-Space-Sublimation (CSS). Bei diesem Vakuumverfahren verdampfen die Ausgangsstoffe und schlagen sich auf der Siliziumzelle nieder, die nur wenige Millimeter von der Materialquelle entfernt positioniert ist. Die Reaktion zur Perowskit-Schicht findet direkt auf der Oberfläche statt.

Im Experiment war die Beschichtung nach zehn Minuten abgeschlossen. Das Verfahren kommt ohne Lösungsmittel aus. Die Ausgangsmaterialien lassen sich wiederverwenden, was den Materialverbrauch pro Beschichtungszyklus reduziert.

Für die Einstellung der optisch notwendigen Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt verwendeten die Forschenden eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid. Über das Mischungsverhältnis lässt sich der Bromanteil im fertigen Perowskit-Material gezielt steuern.

Wirkungsgrade auf strukturierten Siliziumoberflächen

Für die Praxistauglichkeit entscheidend war der Test auf verschiedenen Siliziumoberflächen. Strukturierte Oberflächen – nano- und mikrostrukturiert – verlängern den Lichtweg in der Zelle und erhöhen die Absorption. Bisherige Perowskit-Abscheidungsverfahren funktionieren oft nur auf glatten Substraten zuverlässig.

Das CSS-Verfahren erzeugte auf allen drei getesteten Oberflächen gleichmäßige Perowskit-Schichten, ohne dass Prozessparameter angepasst werden mussten. Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalysen bestätigten die homogene Bedeckung.

Die erzielten Tandem-Wirkungsgrade lagen bei 23,5 Prozent auf glatten, 23,7 Prozent auf nanostrukturierten und 24,3 Prozent auf mikrostrukturierten Siliziumunterzellen.

„Für die Skalierung ist das sehr wichtig”, wird Professor Henk Bolink von der Universität Valencia zitiert. „Ein Verfahren, das nur auf perfekt glatten Oberflächen funktioniert, wäre für industrielle Anwendungen begrenzt nutzbar.”

Fazit / Ausblick für Perowskit-Silizium-Tandemzellen

Perowskit-Silizium-Tandemzellen gelten als einer der aussichtsreichsten Wege, die Effizienzgrenze der heute dominierenden Silizium-Eintakterzellen zu überwinden. Die im Rahmen des EU-Projekts „Nexus” (Horizon Europe) entstandene Studie liefert einen Nachweis, dass das CSS-Verfahren auf industriell relevanten Oberflächen funktioniert. Bis zur Serienreife sind weitere Schritte notwendig – darunter Tests auf Modulgröße sowie Langzeitstabilitätsnachweise unter realen Einsatzbedingungen.

Den englischen Original-Beitrag finden Sie in der Nature Energy unter diesem Link.

Quelle: KIT – Karlsruher Institut für Technologie | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH