Sprung nach vorn für Perowskit-Silizium-Solarzellen

Eingekapselte Perowskit-/Silizium-Tandemsolarzellen in saudischer Freilandtestanlage getestet

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen versprechen Leistungsumwandlungswirkungsgrade, die weit über der theoretischen Grenze von reinem Silizium liegen. Aber ihre Leistung im Freien in einem heißen und sonnigen Klima ist noch nicht vollständig untersucht worden – bis jetzt. Ein Team der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) unter Leitung von Professor Stefaan De Wolf hat effiziente, monolithische Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit zwei Anschlüssen hergestellt und im Freien getestet. Die aus dieser Forschung hervorgegangene Tandemzelle ist sowohl stabiler als herkömmliche Perowskit-Zellen als auch für den Einsatz in der Industrie optimiert.

“De Wolf und sein Team haben vielen Forschungsteams, die in diesem Bereich rund um den Globus arbeiten, Beine gemacht. Es ist hervorragend zu sehen, wie die Ergebnisse des KAUST-Solarzentrums auf diese Weise durch die nächsten Stufen der technologischen Reife geführt werden. Dies hilft sehr, die Wirkung der langjährigen KAUST-Forschungsinvestitionen in das Forschungszentrum zu realisieren”, sagte KAUST-Vizepräsident für Forschung Donal Bradley.

Die in Nature Energy veröffentlichten Ergebnisse der KAUST-Forscher Erkan Aydin und Thomas Allen sowie der Kollegen in De Wolfs Gruppe deuten darauf hin, dass die Temperaturabhängigkeit sowohl der Silizium- als auch der Perowskit-Bandlücke – die entgegengesetzten Trends folgen – den Stromanpassungs-Optimierungspunkt unter Standardtestbedingungen von dem für zweiseitige Tandems weg verschieben.

Neuartige, unter realen Bedingungen getestete Solarzelle setzt neue Effizienzgrenzen – Grafik © Nature Energy, KAUST

“Diese Ergebnisse implizieren, dass die ideale Bandlücke der Perowskitzelle für eine optimale Bauelementleistung niedriger sein sollte als bisher angenommen. Solche Perowskite mit niedrigerer Bandlücke sind bekanntlich viel stabiler”, sagte De Wolf.

Die Ergebnisse des Teams könnten für die Kommerzialisierung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen viel versprechend sein. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass bromidarme Perowskit-Spitzenzellen mit geringerer Bandlücke bei Standardtestbedingungen möglicherweise der beste Weg sind, um den Wirkungsgrad konventioneller Silizium-Solarzellen zu erhöhen.

Nach der Herstellung wurden die Tandemzellen in die Freiluft-Photovoltaik-Testfeldstation KAUST gebracht, was den ersten echten Betriebstest für solche Geräte in KSA darstellte und die Leistungsverbesserung bestätigte.

Die Stromerzeugung mit Siliziumsolarzellen ist jüngst viel billiger geworden. Die meisten verbleibenden Kosten hängen vom Zellbereich ab. Daher ist die Steigerung des Wirkungsgrads ein wirksamer Hebel, um die Erzeugungskosten für Photovoltaikstrom weiter zu senken. Um die theoretische Effizienzgrenze von PV-Zellen aus reinem Silizium zu überwinden, wurden Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen entwickelt. Perowskit-Solarzellen können das hochenergetische blaue und grüne Licht viel effizienter nutzen als Siliziumsolarzellen. Andererseits nutzen Siliziumsolarzellen das rote und infrarote Licht, während Perowskit-Solarzellen dies nicht können. Durch die Kombination dieser effizienten Einzelzellen können Wirkungsgrade jenseits der sogenannten Auger-Grenze (maximal erreichbare materialbedingte Effizienz von 29,4%) erreicht werden. Die Verwendung von Silizium für die untere Subzelle ist attraktiv, da wir uns auf eine etablierte und kostengünstige Produktionstechnologie verlassen können. Die Perowskit-Solarzelle als Top-Zelle ist möglicherweise kostengünstig herzustellen und ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad. (siehe: ise.fraunhofer.de/tandem-solar-cells-on-crystalline-silicon/perovskite-silicon-tandem-solar-cells)

“Seit Jahren ist der Goldstandard der Solarenergie Silizium, das über 95% des Marktes ausmacht. Diese Publikation ist die erste ihrer Art, die über Tandem-Silizium-Perowskit-Zellen im Freien berichtet und ihre Funktionsfähigkeit demonstriert – ein entscheidender nächster Schritt, um neue und effizientere Solartechnologie auf den Markt zu bringen. Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit Dr. De Wolf im Rahmen unseres auf die Wirkung ausgerichteten Forschungsübersetzungsprogramms, um diese Technologie, die wirklich eine der großen Herausforderungen der Gesellschaft darstellt, zu verbessern”, sagte der Vizepräsident für Innovation und wirtschaftliche Entwicklung (I&ED) bei KAUST, Kevin Cullen.

Nur KAUST und eine Handvoll anderer Institute auf der ganzen Welt sind in der Lage, diese Geräte vollständig in einem Labor herzustellen. Aufgrund dieser Fähigkeit war es möglich, die gesamte Tätigkeit bei KAUST im Rahmen eines Near-Term Grand Challenge-Projekts durchzuführen, das von den KAUST Forschungs- und I&ED-Büros verwaltet wird. Die Forschung von Professor De Wolf über die Erzeugung von Solarenergie steht auch im Mittelpunkt der neu gestarteten KAUST Research Circular Carbon Initiative.

Abstract aus Nature Energy

Perovskit/Silizium-Tandemsolarzellen versprechen Leistungsumwandlungswirkungsgrade, die über die Shockley-Queisser-Grenze von Single-Junction-Geräten hinausgehen; ihre tatsächliche Leistung im Freien muss jedoch noch untersucht werden. Hier stellen wir 25 % effiziente monolithische Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit zwei Anschlüssen her und testen sie im Freien in einem heißen und sonnigen Klima. Wir stellen fest, dass die Temperaturabhängigkeit sowohl der Silizium- als auch der Perowskit-Bandlücke – die entgegengesetzten Trends folgen – die Bauelemente weg von der Stromanpassung für Zwei-Terminal-Tandems, die unter Standardtestbedingungen optimiert werden, verschiebt. Folglich argumentieren wir, dass die optimale Perowskit-Bandlückenenergie bei Standardtestbedingungen <1,68 eV für die Feldleistung bei Betriebstemperaturen von über 55 °C beträgt, was im Vergleich zu früheren Ergebnissen niedriger ist. Dies impliziert, dass bromidarme Perowskite mit schmaleren Bandlücken bei Standardtestbedingungen – und damit besserer Phasenstabilität – ein grosses Versprechen für die Kommerzialisierung von Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen darstellen.

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