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Rekord: Wirkungsgrad von Perowskit-Tandemsolarzelle springt auf 29,15 Prozent

| Redakteur: Thomas Kuther

Berliner Forschern ist es gelungen, im Labor eine Perowskit-Tandemsolarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 29,15 Prozent herzustellen.

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Die Tandemsolarzelle wurde im typischen Labormaßstab von einem Quadratzentimeter realisiert. Das Aufskalieren ist jedoch möglich.
Die Tandemsolarzelle wurde im typischen Labormaßstab von einem Quadratzentimeter realisiert. Das Aufskalieren ist jedoch möglich.
(Bild: Eike Köhnen/HZB)

Im Rennen um immer höhere Wirkungsgrade liegt ein Entwicklungsteam des Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) wieder vorne. Die Gruppen von Steve Albrecht und Bernd Stannowski haben eine Tandemsolarzelle aus den Halbleitern Perowskit und Silizium entwickelt, die 29,15 Prozent des eingestrahlten Lichts in elektrische Energie umwandelt. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert. Damit ist die Überwindung der 30% Effizienz-Marke in greifbare Nähe gerückt.

Während Silizium insbesondere die roten Anteile des Sonnenlichts in Strom umwandelt, nutzen Perowskit-Verbindungen vor allem die blauen Anteile des Spektrums. Eine Tandemsolarzelle aus Silizium und Perowskit schafft dadurch deutlich höhere Wirkungsgrade als jede Einzelzelle für sich genommen.

Prof. Dr. Steve Albrecht, der am HZB eine vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe leitet, und Prof. Dr. Bernd Stannowski vom HZB-Institut PVcomB haben zusammen bereits mehrfach für neue Rekordwerte von monolithischen Tandemsolarzellen gesorgt. Ende 2018 stellte das Team eine Tandemsolarzelle aus Silizium mit einem Metall-Halogenid-Perowskit vor, die 25,5% Wirkungsgrad erreicht. Dann verkündete die Firma Oxford PV einen Wert von 28% und nun kann das HZB-Team den nächsten Rekord melden.

Neuer Rekordwert zertifiziert und eingetragen

Der Wert von 29,15% ist vom CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert und erscheint nun auch in den NREL-Charts. Diese Grafik, die vom National Renewable Energy Lab (NREL), USA, herausgegeben wird, 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.

Schichten optimiert

„Wir haben für die Rekordzelle in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Vytautas Getautis (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 ist und noch besser zum Stromgleichgewicht beiträgt. Die Silizium-Unterzelle stammt aus der Gruppe von Stannowski und enthält eine spezielle Siliziumoxid Mischschicht zur optischen Kopplung beider Einzelzellen.

Aufskalieren möglich

Alle Prozesse, die zum Realisieren dieser Quadratzentimeter-Zelle verwendet wurden, sind im Prinzip auch für große Flächen geeignet. Erste Versuche mithilfe von Vakuumprozessen waren bereits sehr erfolgreich.

Die praktisch-realistische Grenze für den Wirkungsgrad von Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten liegt bei ca. 35%. Als nächstes will das HZB Team die 30% Effizienz-Barriere überwinden. Erste Ideen dafür liegen bereits vor, erklärt Albrecht.

Die Illustration zeigt den Aufbau der Tandemsolarzelle: zwischen der dünnen Perowskit-Schicht (schwarz) und der Silzium-Schicht (blau) liegen funktionale Zwischenschichten.
Die Illustration zeigt den Aufbau der Tandemsolarzelle: zwischen der dünnen Perowskit-Schicht (schwarz) und der Silzium-Schicht (blau) liegen funktionale Zwischenschichten.
(Bild: Eike Köhnen/HZB)

Hintergrund

Steve Albrecht leitet die Nachwuchsgruppe Perowskit-Tandemsolarzellen und ist Juniorprofessor an der TU Berlin. Er forscht an dem organisch-anorganischen Material Perowskit, das eine der größten Überraschungen in der Solarzellenforschung ist: In nur sechs Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verfünffacht, darüber hinaus können Perowskit-Schichten aus Lösung hergestellt und in Zukunft kostengünstig auf großer Fläche gedruckt werden.

Albrechts Team hat in Zusammenarbeit mit weiteren Gruppen aus dem HZB bereits mehrfach Weltrekorde für Tandemsolarzellen aus Perowskit in Kombination mit anorganischen Halbleitern gemeldet. Im September 2019 stellten sie eine Tandemsolarzelle aus CIGS und Perowskit vor, die einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26% erreicht, was für diese Materialkombination noch immer der aktuelle Weltrekord ist. Außerdem haben Sie in 2019 eine Industrie-relevante Perowskit/PERC Solarzelle mit einem großen PV Industriepartner entwickelt.

Steve Albrecht hat bereits mehrere große Preise für seine Arbeit erhalten; Ende 2019 wurde er mit dem Nachwuchspreis des Berliner Wissenschaftspreises ausgezeichnet, der mit einem Preisgeld von 10.000 € verbunden war.

Wie eine Perowskit-Silizium-Zelle funktioniert:

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