Erster Versuch: Perowskit-PERC/POLO-Tandemzelle erreicht 21,3 Prozent Wirkungsgrad

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) für Materialien und Energie und des Instituts für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) haben zum ersten Mal eine Tandem-Perowskit-Silizium-Solarzelle entwickelt, die auf einem n+-Typ Polysilizium-auf-Oxid-(POLO)-Kontakt-Vorderseite und einer passivierten Emitter- und Rückkontaktseite (PERC) basiert. Dies sei eine wichtige Errungenschaft, da PERC-Zellen auf p-type-Silizium das „Arbeitspferd“ der Photovoltaik seien, mit einem Marktanteil von etwa 50 Prozent aller weltweit produzierten Solarzellen, so die Wissenschaftler.

„Unsere Bottomzellen umfassen alle Komponenten industrieller PERC-Zellen, mit Ausnahme des Ersatzes der Phosphorylchlorid (POCl3)-Diffusion durch die chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) von in situ n+-p-dotiertem Polysilizium“, erklärten sie weiter. Der Herstellungsprozess für diese Bottomzelle sei mit kommerziellen Verfahren für PERC-Technologien kompatibel.

Die Zelle sei mit einem p-dotierten M2-Czochralski (Cz)-Wafer mit 156,75 Millimetern Kantenlänge und einem Durchmesser von 210 Millimetern hergestellt, wobei die Stapel aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid auf beiden Seiten des Wafers abgeschieden wurden. „Der rückseitige 15 Nanometer Aluminiumoxid /100 Nanometer Siliziumnitrid-Stapel dient zur Passivierung wie bei einer industriellen PERC-Zelle“, erklärt das Forscherteam. „Der vorderseitige 10 Nanometer Aluminiumoxid /40 Nanometer Siliziumnitrid-Stapel passiviert den Randbereich um den aktiven Zellbereich. Er dient auch dem eher grundlegenden Zweck, die Passivierung des POLO-Übergangs während des anschließenden Brennvorgangs zu stabilisieren und wird daher erst nach dem Brennen im aktiven Bereich entfernt.“

Die Perowskit-Topzelle wurde mit einer p-i-n-Bauelementarchitektur und einem Triple-Halogenid-Perowskit mit einer Bandlücke von 1,68 Elektronenvolt entwickelt, das als CsFAPb(IBrCl)3 bezeichnet wird. „Da seine Dicke die in der oberen Zelle erzeugte Stromdichte stark beeinflusst, ist die Anpassung des Herstellungsprozesses entscheidend, um eine Stromanpassung zwischen den Bottomzellen zu erreichen“, betonten die Wissenschaftler. „Um die Stromfehlanpassung zu verringern, haben wir eine dünnere Perowskit-Schicht abgeschieden, indem wir die Spin-Coating-Geschwindigkeit auf 5000 Umdrehungen pro Minute erhöht haben, was zu einer Schichtdicke von etwa 470 Nanometern führt.“

Die Tandem-Solarzelle mit zwei Perowskit-POLO-PERC-Terminals erreichte einen Wirkungsgrad von 21,3 Prozent. Die Wissenschaftler erklärten, dass dieses „Proof-of-Concept“-Tandemprodukt das Potenzial für weitere Effizienzsteigerungen habe. „Zu diesem Zweck könnte man die Oberfläche der Siliziumwafer anpassen und so den Wirkungsgrad schnell auf etwa 25 Prozent erhöhen“, so die Mitautor der Studie, Silvia Mariotti vom HZB. Die Forscher gehen davon aus, dass die Effizienz dieser Tandemzellen durch Anpassungen der Perowskit-Dicke und der Bandlücke, die bisher nicht berücksichtigt wurden, noch viel höhere Werte erreichen kann. „Basierend auf unseren experimentellen Ergebnissen und unterstützenden optischen Simulationen identifizieren wir wichtige Prozessverbesserungen und schätzen ein Potenzial den Wirkungsgrad von 29,5 Prozent“, heißt es weiter.

Eine vollständige Beschreibung der Zelle findet sich in der Studie „Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Fabricated Using Industrial p-Type Polycrystalline Silicon on Oxide/Passivated Emitter and Rear Cell Silicon Bottom Cell Technology“, die im Magazin „RRL-Solar“ veröffentlicht wurde. Die Forschungsarbeiten des Verbundprojekts von HZB und ISFH sind vom Bundesforschungsministerium gefördert worden.