Rekordwirkungsgrad von 25,5 Prozent für eine CIGS-Perowskit-Tandemzelle

Ein Team aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Center for the Science of Materials Berlin (CSMB) an der Humboldt-Universität zu Berlin meldet einen neuen Rekordwirkungsgrad für eine Tandemsolarzelle. Mit der Kombination einer CIGS- (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) Halbleiterschicht mit Perowskit wurden 25,5 Prozent Effizienz erreicht. Bislang lag nach Angaben des HZB die Bestmarke für diese Materialkombination und diese Zellgröße bei 24,6 Prozent. Der neue Rekord sei zertifiziert und in den Solar Cell Efficiency Tables („Green Tables“) notiert.

Um hier aufgenommen zu werden, heißt es vom HZB, sei neben dem Wirkungsgrad auch eine Fläche von mehr als einem Quadratzentimeter Voraussetzung. Die weithin bekannte Tabelle des US-amerikanischen Energieforschungsinstituts NLR (National Laboratory of the Rockies, ehemals NREL) liste dagegen unabhängig von der Fläche allein den Wirkungsgrad auf. 

Zwar hat auch die Zelle von HZB und CSMB mit 1,081 Quadratzentimetern das für die Green Tables erforderliche Maß nur ganz knapp erreicht, doch die Forscher sind in dieser Hinsicht optimistisch: Im Rahmen des von der EU geförderten SOLMATES-Projekts haben den Angaben zufolge Nicolas Otto von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) und Thede Mehlhop vom HZB ein Minimodul mit einem ähnlichen Materialstapel und einem Wirkungsgrad von etwa 19,7 Prozent bei immerhin schon 2,25 Quadratzentimetern hergestellt. „Physikalische Gründe sprechen dafür, dass 25,5 Prozent lediglich ein Zwischenergebnis sind. In internen Tests mit ähnlichen Architekturen konnten wir bereits Wirkungsgrade von 27,5 Prozent erreichen“, sagt Guillermo Farias Basulto vom Institut Kompetenz-Zentrum Photovoltaik Berlin (PVcomB) des HZB.

Für die Rekordzelle wurden Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken (1,05 und 1,1 Elektronenvolt) und zwei unterschiedliche Schichtdicken von mit Aluminium dotierten Zinkoxiden eingesetzt. Das Team habe „verschiedene Zellarchitekturen getestet und damit die Verbesserungen ergänzt, die wir bereits bei unserem vorherigen Rekord erzielt hatten“, so Farias Basulto.

Zur Reduzierung von Rekombinationsverlusten an den Grenzflächen und zur Stabilisierung der Bauelemente untersuchte der Chemiker Wuai Zhang vom CSMB viele Kombinationen aus Nickeloxid und sogenannten selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) als Lochtransportmaterial. Zudem habe er den elektronenselektiven Kontakt optimiert, indem er die Verdampfungsrate von Buckminsterfulleren (C60) auf einer ultradünnen Passivierungsschicht aus Lithiumfluorid (LiF) veränderte.