Beschreibung eines kurzlebigen Weltrekords

Spitzenleistung einer Zwei-Schicht-Perowskit/Silizium-Tandemzelle

Eine Forschergruppe um Florent Sahli von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Polytechnische Hochschule – EPFL) hat am 11.06.2018 in nature materials einen Perowskit-Tandemsolarzellen-Weltrekord, vor allem seine Herstellung, beschrieben. Er betrug 25,2 %, hielt aber nur 11 Tage. Aktuell beträgt er 27,3 %. Die Wissenschaftler hoffen, bald die 30-Prozentmarke zu übertreffen. Damit würde das theoretisch erreichbare Maximum reiner Siliziumzellen von rund 29 % übertroffen – deren aktueller Weltrekord liegt bei gut 26 Prozent.

[noteDer Wirkungsgrad einer Solarzelle ergibt sich durch Division der Einstrahlungsenergie durch die abgegebene Energie. Dieser Quotient (dargestellt mit dem griechischen Zeichen ?) gibt den Wirkungsgrad in Prozent an. In der Photovoltaik werden zwar immer neue Rekorde im Wirkungsgrad von Solarzellen erreicht, meist handelt es sich dabei aber um im Labor erzielte Werte. Bei den in Serie produzierten Solarzellen ergeben sich deutlich niedrigere Wirkungsgrade. Immer wird der Wirkungsgrad unter den Standard Test Conditions ermittelt: 1000 Watt Einstrahlung, 25 Grad Zelltemperatur und einer Air Mass von 1,5. Der maximaler Modulwirkungsgrad rührt daher, dass jede Substanz nur bestimmte Lichtwellenlängen verarbeiten kann. Für monokristalline Siliziummodule ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad – abhängig von der Einstrahlungsintensität – dadurch auf etwa 29,5 Prozent beschränkt.
(Nach: photovoltaik.org/photovoltaik-wirkungsgrad)]

Tandemzellen, die Perowskit- und Silizium-Solarzellen kombinieren, sind vielversprechende Kandidaten, um bei vertretbaren Kosten einen Wirkungsgrad von mehr als 30 % zu erreichen. Modernste monolithische Zwei-Schicht-Perowskit/Silizium-Tandemzellen verfügen bisher über Silizium-Bottomzellen, die auf ihrer Vorderseite poliert sind, um mit dem Perowskit-Herstellungsprozess kompatibel zu sein. Diese Maßnahme führt zu höheren potenziellen Produktionskosten, höheren Reflexionsverlusten und nicht idealen Lichtverlusten. Um dieses Problem zu lösen, haben die Autoren ein Spitzentechnologieverfahren entwickelt, welches das konforme Wachstum mehrerer Verbindungen mit kontrollierten optoelektronischen Eigenschaften direkt auf den mikrometergroßen Pyramiden aus texturiertem monokristallinem Silizium erreicht. Tandembauelemente mit einer Silizium-Heterojunctionzelle und einer nanokristallinen Silizium-Rekombinationsjunction weisen einen zertifizierten stationären Wirkungsgrad von 25,2% auf.

Ihr optisches Design ergibt dank der Silizium-Pyramidenstruktur eine Stromdichte von 19,5 mA/cm² und eröffnet den Weg für die Realisierung von 30% monolithischen Perowskit/Silizium-Tandem-Bauelementen auf voll texturierten monokristallinen Si-Bottomzellen wegen ihrer mikrometergroßen c-Si-Pyramiden. Obwohl verschiedene Fabrikationsprototypen auf Basis physikalischer und chemischer Gasphasenabscheidung entwickelt wurden, einschließlich hybrider sequenzieller Rezepturen, welche die thermische Verdampfung des Pb-haltigen Vorläufers mit anschließender Spin-Beschichtung der Organohalogenid-Verbindungen kombinieren, sind Perowskit-Zellen, die auf texturierten c-Si-Bottomzellen abgeschieden wurden, noch nicht bekannt.

Folgt: Neu: Hybrides zweistufiges Abscheidungsverfahren