Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben zusammen mit Projektpartnern eine Tandemsolarzelle aus CIS-Dünnschichthalbleiter und einer zusätzlichen Perowskitschicht mit einem Wirkungsgrad von 24,9 Prozent hergestellt. Zertifiziert wurde sie mit 23,5 Prozent. „Dies ist der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer fast galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde“, erklärt Marco A. Ruiz-Preciado, vom Lichttechnischen Institut des KIT.
Bandlücke angepasst
Die Forscher haben die hohe Effizienz durch die Verringerung der Galliummenge erreicht. Diese führt zu einer schmalen Bandlücke von etwa einem Elektronenvolt (eV). Dies wiederum kommt dem Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle – in diesem Fall die CIS-Zelle – in einem Tandem sehr nahe. Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Sonnenspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen.
Ströme sollten möglichst gleich sein
In einer monolithischen Tandemsolarzelle, also einer Zelle, bei der beide Schichten gemeinsam verschaltet sind, müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können. Nur so lasse sich ein maximaler Wirkungsgrad erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden und umgekehrt.
Wirkungsgrad weiter verbessern
In der Regel verwendet man dazu Perowskite mit einem hohen Bromgehalt, um diese Schicht effizient in ein Tandem zu integrieren. Dies führe jedoch häufig zu Spannungsverlusten und Phaseninstabilität, betonen die Forscher. Die Stabilität und gleichzeitig eine höhere Effizienz erreichen sie mit den Perowskiten mit einem hohen Bromgehalt, weil sie für ihre Tandems als Basis CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke einsetzen „Unsere Studie demonstriert das Leistungspotenzial von Perowskit-CIS-Tandemsolarzellen und definiert die Basis für zukünftige Entwicklungen, die den Wirkungsgrad weiter verbessern können“, prognostiziert Ulrich W. Paetzold, der ebenfalls am Lichttechnischen Institut des KIT forscht.
Dünnschicht hat Vorteile
Zwar erreichen Siliziumzellen in Kombination mit Perowskiten einen Rekordwirkungsgrad von 29 Prozent und liegen damit auch höher als die der beiden Einzeltechnologien. Denn der Rekord bei Perowskiteinzelzellen liegt bei 25,7 Prozent und der von Siliziumzellen bei 26,7 Prozent. Doch die Kombination von Perowskiten mit Dünnschichttechnologien hat anderen Vorteile. Denn diese Solarzellen sind leichter und vielseitiger einsetzbar, da sich auch biegbar sind. Damit steht dem Einsatz eines solchen Tandems in Fahrzeugen, tragbaren Geräten sowie falt- oder rollbaren Vorrichtungen wie Jalousien und Markisen nichts im Wege.
Aus dem Labor in die Praxis kommen
Die Freiburger Forscher sehen in der Perowskittechnologie in Kombination mit anderen Solarzellen grundsätzlich eine Weiterentwicklung, die sich am Markt etablieren kann. Doch sie müssen aus dem Labor herauskommen und in die praktische Anwendung kommen. Das ist der nächste Schritt, an dem die Karlsruher Forscher arbeiten. Denn für die Endverbraucher sind Solarzellen um so attraktiver, je mehr Strom pro Flächeneinheit sie erzeugen. Das lässt sich durch das Stapeln verschiedener Technologien erreichen. Denn diese nutzen verschiedene Bereiche des Spektrums des Sonnenlichts für die Stromproduktion. (su)
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