HZB erzielt Rekord-Wirkungsgrad mit Perowskit-Silizium-Tandemzelle

Der Weltrekord beim Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemzelle kehrt zurück in die Bundeshauptstadt: Forschern des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie ist es gelungen, eine Zelle zu entwickeln, die 29,15 Prozent des eingestrahlten Lichtes in elektrische Energie umwandelt. Damit ist die 30-Prozent-Marke in greifbare Nähe gerückt. Das „CalLab“ des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat den von einem Forscherteam um Steve Albrecht und Bernd Stannowski erzielten Wert offiziell bestätigt.

Die Tandemsolarzelle wurde im typischen Labormaßstab von einem Quadratzentimeter realisiert. Die dafür verwendeten Prozesse sind im Prinzip auch für große Flächen geeignet, erklären die Forscher. Erste Versuche mithilfe von Vakuumprozessen seien bereits sehr erfolgreich gewesen.

Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit schafft deutlich höhere Wirkungsgrade als Einzelzellen beider Materialien für sich genommen, weil sie die jeweiligen Vorteile verbinden: Silizium wandelt insbesondere die roten Anteile des Sonnenlichts in Strom um, Perowskit-Verbindungen vor allem die blauen Anteile des Spektrums. Die praktisch-realistische Grenze für den Wirkungsgrad von Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten liegt bei circa 35 Prozent.

„Wir haben für die Rekordzelle in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Vytautas Getautis von der Kaunas University of Technology eine spezielle neue Kontaktschicht entwickelt und eine weitere Zwischenschicht optimiert“, erklären Eike Köhnen und Amran Al-Ashouri, Doktoranden in der Gruppe von Albrecht. Durch die neue Kontaktschicht konnte zudem im HySPRINT-Labor des HZB die Komposition der Perowskitverbindung weiter angepasst werden, so dass diese in der Tandemsolarzelle unter Beleuchtung stabiler sind. Die Stabilität ist die Achillesferse dieses Materials – es verliert im Laufe der Zeit deutlich an Leistungsfähigkeit. Erst vor wenigen Tagen hatten Forscher aus Belgien und den Niederlanden bekannt gegeben, einen Durchbruch bei der Stabilität von Perwoskit-Solarmodulen aus einem industriellen Verfahren erzielt zu haben.

Die Silizium-Unterzelle stammt aus der Gruppe von Stannowski. Die Zelle enthält eine spezielle Siliziumoxid Mischschicht zur optischen Kopplung beider Einzelzellen. Albrecht und Stannowski haben zuvor bereits mehrfach gemeinsam Rekord bei monolithischen Tandemsolarzellen aufgestellt. Ende 2018 präsentierte das Team eine Tandemsolarzelle aus Silizium mit einem Metall-Halogenid-Perowskit, die 25,5 Prozent Wirkungsgrad erreicht. Im vergangenen September erzielten HZB-Forscher für Perowskit-CIGS-Tandemzellen einen Weltrekord von 23,26 Prozent.

Der Rekordwert von 29,15 Prozent erscheint nun in dem viel beachteten NREL-Chart. Diese vom US-amerikanischen National Renewable Energy Lab herausgegebene Grafik verzeichnet die Entwicklung der Wirkungsgrade für nahezu alle Solarzell-Typen seit 1976. Perowskit-Verbindungen sind erst seit 2013 mit eingezeichnet. Der Wirkungsgrad dieser Materialklasse ist seitdem so stark gestiegen wie für kein anderes Material.