TextForscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben mit einer Tandemsolarzelle einen Wirkungsgrad von 29,8 Prozent geschafft. Die Solarzelle besteht aus einer Basis aus kristallinem Silizium. Darauf ist eine Schicht aus Metallhalogenid-Perowskit aufgebracht. Diese Halbleitermaterial ist schon sein mehreren Jahren ein Schwerpunkt der Solarzellenforschung am HZB. Denn es wandelt das Sonnenlicht sehr effizient in elektrische Energie um und lässt sich gut mit anderen Halbleitertechnologien verbinden.
Rennen um den höchsten Wirkungsgrad läuft
Mit dem neuen Wirkungsgrad knacken die Forscher des HZB ihren eigenen Rekord aus dem Januar 2020. Damals erreichten sie mit einem Tandem aus kristallinem Silizium und Perowskiten eine Effizienz von 29,15 Prozent. Dann legte der Hersteller Oxford PV im Dezember 2020 nach und erreichte 29,52 Prozent. Das Rennen um den Rekordwirkungsgrad ist aber längst nicht zu Ende. „Ein Wirkungsgrad von 30 Prozent ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaikindustrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt Steve Albrecht, einer der Entwickler der neuen Rekordzelle.
Zelle optisch verbessert
Für die neue Rekordzelle haben die Forscher den Schwerpunkt auf die optische Verbesserung der Heterojunction-Siliziumzelle gelegt, die die Basis des Tandems bildet. Dazu wurde auf die Vorderseite eine Nanotexturierung aufgebracht und ein dielektrischer Rückreflektor hinzugefügt, der mehr Licht in die Zelle leitet. Vor allem aber die Nanotexturierung an der Grenzfläche zwischen Silizium und Perowskit ist ein großer Gewinn für die Effizienz der Zelle.
Grenzschichten mit Nanostrukturen ausgestattet
Um das herauszufinden, haben die HZB-Forscher zunächst die Texturierung untersucht. Dabei ging es vor allem darum, wie sie die Dichte des Photostroms erhöht. Sie haben dabei verschiedene Texturierungen untersucht. Danach haben sie mit diesen verschiedenen Oberflächenstrukturierungen jeweils ein Silizium-Perowskit-Tandem gebaut. „Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Johannes Sutter vom HZB. „Bemerkenswert ist, dass die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandemsolarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskitschichten führen“, ergänzt sein Kollege Philipp Tockhorn.
Sonnenlicht effizienter nutzen
Während die nanotexturierte Grenzschicht zwischen den beiden Tandemteilen den Transport der Ladungsträger verbessert, erhöht der dielektrische Reflektor den Lichtanteil, der in die Zelle gelangt. Denn er reflektiert das infrarote Licht an der Rückseite der Zelle zurück in den Siliziumabsorber. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt Alexandros Cruz Bournazou, der ebenfalls an der Forschung beteiligt war.
30 Prozent in greifbarer Nähe
Die Wissenschaftler haben auch schon eine Idee, wie sich die Effizienz noch weiter steigern ließe. Im Gespräch ist eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten. So wird ein Wirkungsgrad von 30 Prozent realistisch, wie die Forscher betonen. (su)
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