Helmholtz-Zentrum Berlin erzielt Weltrekord bei Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen

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Erst Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), dann Oxford PV – und jetzt wieder die Forscher von der Spree: Drei Teams des HZB haben gemeinsam mit 29,8 Prozent einen neuen Wirkungsgrad-Weltrekord bei Perowskit-Silizium-Tandemzellen aufgestellt. Der Wert ist nun vom Fraunhofer ISE CalLab zertifiziert und in den Charts des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL), quasi der offiziellen Effizienz-Weltrangliste, verzeichnet.

In ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler des HZB den Fokus auf die optische Verbesserung der Silizium-Heterojunction-Bottomzelle gelegt. Dazu haben sie eine nanotexturierte Vorderseite und einen dielektrischer Rückreflektor eingefügt.

So haben die HZB-Forscher Philipp Tockhorn und Johannes Sutter untersucht, wie sich Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandemsolarzelle aus einer Perowskit-Silizium-Tandemzelle auswirken. Zunächst berechneten sie mit einer Computersimulation die Photostromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen. Anschließend stellten sie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit verschiedenen Strukturierungen her:

„Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Sutter. Tockhorn ergänzt: „Bemerkenswert ist, dass die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandemsolarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskit-Schichten führen.“

Effizienz von 30 Prozent in Sichtweite

Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, wurden Verbesserungen erreicht. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt HZB-Forscher Alexandros Cruz Bournazou.

Mit dem jüngsten Erfolg ist das Ende der Fahnenstange längst noch nicht erreicht, meint das HZB – die Ergebnisse zeigten den Weg für weitere Verbesserungen auf. So legten die Simulationen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter steigern ließe. Ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 Prozent könne erreichbar sein. Diese Schwelle sei wie eine psychologische Grenze, sagt Steve Albrecht vom HZB. „Das könnte die Photovoltaik-Industrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt er.

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