Solarzellen im Tandem: Höherer Wirkungsgrad mit Silizium und Perowskit

Kombination zweier Solarzellen nutzt das Sonnenlicht effizienter – Steigerung auf über 25 Prozent Wirkungsgrad möglich
Querschnitt durch eine Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit unter dem Rasterelektronenmikroskop
Querschnitt durch eine Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit unter dem Rasterelektronenmikroskop
© HZB
Berlin/Oxford (Großbritannien) - Die besten Solarzellen auf Siliziumbasis erreichen Wirkungsgrade um 25 Prozent. Um die Stromausbeute deutlich zu steigern, bieten sich so genannte Tandem-Zellen aus zwei verschiedenen Materialien an. Deutsche und britische Forscher fanden nun eine viel versprechende Kombination mit einer Tandem-Struktur aus Silizium und Perowskit. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten damit günstige und zugleich mit Wirkungsgraden von bis zu 30 Prozent sehr effiziente Solarzellen entwickelt werden.

„Perowskit und Silizium ergänzen sich hervorragend, um Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden entwickeln zu können“, sagt Lars Korte vom Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin. Zusammen mit Kollegen der University of Oxford fertigte er eine dünne Perowskit-Solarzelle, in der die Forscher eine zuvor relativ instabile Komponente durch das Alkalimetall Cäsium ersetzten. Damit erhielten sie einen lichtaktives, kristallines Perowskit-Material, das sich deutlich stabiler gegenüber Wärme und Lichteinstrahlung zeigte. Für die weitere Entwicklung von Perowskit-Solarzellen ist das von großer Bedeutung, um in Zukunft mindestens 20 Jahre lang in Solarmodulen eingesetzt werden zu können.

Die neue, stabilere Perowskit-Solarzelle allein erreichte bereits einen guten Wirkungsgrad von knapp über 17 Prozent. Dabei war sie – kombiniert mit einer hauchdünnen Elektrode aus Indiumzinnoxid - transparent genug, um einen Teil des einfallenden Sonnenlichts hindurch zu lassen. Eine zweite Silizium-Solarzelle unter der Perowskit-Zelle konnte daher noch die photovoltaische Stromausbeute um weitere 7,3 Prozent steigern. Dieses Tandem weist damit den Weg, um günstige Tandem-Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 25 Prozent konstruieren zu können.

Die Berliner Photovoltaik-Forscher arbeiten nicht nur mit der University of Oxford zusammen. Erst vor wenigen Monaten präsentierten sie gemeinsam mit schweizerischen Kollegen der École Polytechnique Fédérale in Lausanne eine andere Tandem-Solarzelle, in der Silizium und Perowskit fest miteinander in einem Block – im Fachslang monolithisch – verbunden waren. Diese Solarzelle wandelte immerhin schon 18 Prozent der Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom um, ein Fünftel mehr als eine Solarzelle aus nur einem Material.

Beide Ansätze belegen, dass die Effizienz von ausgereiften Silizium-Solarzellen mit dem günstigen Perowskit-Material in Zukunft signifikant erhöht werden könnte. Viele Forschergruppen arbeiten derzeit an der Steigerung der notwendigen Langzeitstabilität und konnten bereits erste Erfolge verzeichnen. Sollte es zudem gelingen, photovoltaisch ausreichend aktive Perowskit-Kristalle ohne das Schwermetall Blei zu züchten, könnte diese Materialklasse schon bald eine wichtige Rolle in der Solarzell-Produktion spielen.

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