Umfassender Überblick der Forschung über Heterojunction-Solarzellentechnologien

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Erwartungen an künftige Entwicklungen in diesem Bereich

Wissenschaftler der Nankai-Universität (China) haben in einer in Nanophotonics veröffentlichten Arbeit einen umfassenden Überblick über die aktuelle Forschung zu Silizium-Tandemsolarzellen mit Heteroübergang (SHJ-TSCs) erstellt, zeigten die Chancen und Herausforderungen dieser Technologie auf und formulierten ihre Erwartungen an zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich.

Perowskit-Solarzelle im HZB-Institut für Si-PV – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Ihrer Analyse zufolge besteht die große Herausforderung bei Perowskit/SHJ-TSCs im Verlust der Leerlaufspannung (Voc), der hauptsächlich durch nichtradiative Rekombination an der Korngrenze und der Grenzfläche verursacht wird. Um dieses Problem anzugehen, wurde bisher eine Reihe von Strategien angewandt, darunter die Erhöhung der Korngröße, Oberflächenpassivierung, 2D/3D-Heteroübergangstechnik und Ionenkompensation.

Die Passivierung von Defekten hat sich jedoch als das wirksamste Mittel zur Verbesserung von Voc erwiesen. Viele Forschungsanstrengungen konzentrieren sich derzeit auf Lewis-Basen/Säuren, Alkalimetallionen (Na, K, Ru, Cs), Ligandenpassivierung, Halogenionen (Cl, Br), PbI2, 2D-Perowskite, isolierende Polymere und Guanidinium-basierte Additive, so der Bericht.

Ein weiteres Problem ist die Herstellung von Perowskit-Topzellen auf texturierten c-Si-Zellen, wo die Vakuumabscheidungsmethode laut der Studie gute Ergebnisse liefern kann. „Um die Leistung der TSCs weiter zu verbessern, müssen die optischen und elektronischen Verluste minimiert werden. Wenn diese Probleme gelöst sind, kann eine Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von über 35 % erwartet werden“, heißt es in dem Bericht. Um die Herstellung und Kommerzialisierung in größerem Maßstab voranzutreiben, müssen auch die Langzeitstabilität und die Toxizität des Materials optimiert werden, so die chinesischen Wissenschaftler.

Im Gegensatz zu Perowskiten weisen III-V-Verbindungshalbleitermaterialien mit ihrer bewährten Zuverlässigkeit und einstellbaren Bandlücke einen hohen Wirkungsgrad und ein vielversprechendes Potenzial für industrielle Anwendungen auf. Allerdings sind sie mit hohen Kosten verbunden.

Bislang wurden viele Strategien zur Herstellung von III-V/SHJ-TSCs angewandt, darunter heteroepitaktisches Wachstum, Wafer-Bonden und mechanisches Stapeln. Der heteroepitaktische Integrationsansatz, der auf der Kontrolle der Versetzungsdichte an der Grenzfläche beruht, wurde zur Herstellung von Bauelementen verwendet, deren Qualität jedoch schlecht war. Ansätze, die auf oberflächenaktiviertem Bonding (SAB) basieren, scheinen am vielseitigsten für die Herstellung hocheffizienter III-V/SHJ-TSCs zu sein. Diese Methode eignet sich jedoch nicht für texturierte SHJ-Solarzellen, und die Notwendigkeit einer Reinraumumgebung und eines Tunnelübergangs kann auch hohe Kosten verursachen.

Daher könnte die mechanische Stapelung mit Hilfe eines transparenten, leitfähigen Klebstoffs und einer Anordnung von Metallnanopartikeln eine neue Forschungsrichtung für leistungsstarke III-V/SHJ-TSCs sein, heißt es in dem Bericht. Er kommt jedoch zu dem Schluss, dass alle beschriebenen Ansätze in Bezug auf Leistung und Kosten verbessert werden müssen, bevor sie in großem Umfang in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden können.

Aus dem Artikel in Nanophotonics

„Es wird erwartet, dass Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (SHJ) aufgrund ihres stabilen und hohen Wirkungsgrads den Photovoltaikmarkt dominieren werden. Bisher hat der höchste Wirkungsgrad von SHJ-Solarzellen mit interdigitalem Rückkontakt (IBC) 26,7 % erreicht, was ungefähr der theoretischen Shockley-Queisser-Grenze (SQ) von 29,4 % entspricht. Um diese Grenze zu durchbrechen, wurden Mehrfachzellen entwickelt, die aus zwei oder drei gestapelten Unterzellen bestehen und das Sonnenlicht vollständig nutzen können, indem sie verschiedene Teile des Sonnenspektrums absorbieren.

Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über die aktuelle Forschung zu SHJ-basierten Tandemsolarzellen (SHJ-TSCs), einschließlich Perowskit/SHJ-TSCs und III-V/SHJ-TSCs. Zunächst geben wir eine kurze Einführung in die Strukturen von SHJ-TSCs, gefolgt von einer Diskussion der Herstellungsprozesse. Danach konzentrieren wir uns auf die verschiedenen Materialien und Prozesse, die zur Optimierung der elektrischen und optischen Leistung erforscht wurden. Abschließend beleuchten wir die Chancen und Herausforderungen von SHJ-TSCs und geben einen Ausblick auf die zukünftigen Entwicklungsrichtungen in diesem Bereich.

Kristalline Silizium-Solarzellen haben den Photovoltaikmarkt jahrzehntelang dominiert. Die Systemkomponenten, einschließlich Installation, Verkabelung und Wechselrichter, machen die Hauptkosten der Photovoltaik aus, da diese Kosten flächenabhängig sind. Die Verbesserung des Wirkungsgrads der Leistungsumwandlung (PCE) ist das wirksamste Mittel zur Senkung der Stromgestehungskosten. Zu den Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (SHJ) gehören c-Si/a-Si und c-Si/MoOx Heteroübergangs-Solarzellen. SHJ-Solarzellen stellen aufgrund ihrer hohen Leistung die neue Forschungsrichtung dar. Der bisherige Weltrekord von 26,7 % Zellwirkungsgrad wurde von Kaneka (Japan) im Jahr 2017 aufgestellt. Das Unternehmen verwendete eine SHJ-Struktur in Kombination mit einem interdigitalen Rückkontakt (IBC). Dieser Wirkungsgrad liegt jedoch nur 2,7 % unter der theoretischen Wirkungsgradgrenze von 29,4 % für Silizium-Single-Junction-Solarzellen. Das bedeutet, dass er wirklich nahe an seiner Leistungsgrenze liegt. Es besteht also dringender Bedarf an neuen Methoden.

Eine bekannte Strategie zur Überwindung der theoretischen Wirkungsgradgrenze von Shockley-Queisser (SQ) ist der Einsatz von Mehrfachsolarzellen. Bei diesen Bauelementen absorbiert eine obere Zelle mit breiter Bandlücke hochenergetische Photonen und eine untere Zelle mit schmaler Bandlücke niederenergetische Photonen. Diese Struktur kann die Thermalisierungsverluste minimieren und die Nutzung des Sonnenspektrums verbessern. Simulationsergebnissen zufolge liegt die maximale PCE von Tandem-Solarzellen (TSC) auf Siliziumbasis mit doppeltem Übergang bei 45 % und die von TSC auf Siliziumbasis mit dreifachem Übergang bei 50 %.

Für siliziumbasierte TSCs wurden verschiedene Top-Zellen-Materialien untersucht, aber die aktuelle Forschung konzentriert sich auf III-V- und Perowskit-Halbleiter. III-V-Solarzellen sind für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre hervorragende Zuverlässigkeit bekannt, was das Investitionsrisiko verringert und die Stabilität von Tandemmodulen verbessert. Für ein mechanisch gestapeltes GaInP/GaAs/Si-Tandemmodul mit vier Anschlüssen wurde ein PCE-Wert von 35,9 % ermittelt, der höchste PCE-Wert für siliziumbasierte TSCs. Inzwischen ist die Perowskit-Solarzelle ein weiterer idealer Kandidat für SHJ-basierte Tandemsolarzellen (SHG-TSCs) aufgrund ihrer abstimmbaren Bandlücke, ihrer einfachen Herstellung und ihres hohen PCE von 25,5 %. Unter Verwendung einer Niedertemperatur-Lösungsmethode können Perowskit-Solarzellen gut mit c-Si/a-Si SHJ-Solarzellen kompatibel sein. Oxford PV hat für zweipolige Perowskit/SHJ TSC einen PCE-Rekord von 29,5 % bei einer Sonne erzielt. Der hohe Voc-Verlust durch nicht-radiative Rekombination und die hohe Empfindlichkeit von Perowskit gegenüber niedriger Luftfeuchtigkeit stellen jedoch nach wie vor große Herausforderungen dar, die weitere Forschung und Entwicklung erfordern.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über aktuelle Forschungsaktivitäten, die sich auf Perowskit/SHJ-TSCs und III-V/SHJ-TSCs konzentrieren. Der Text dieses Artikels ist in sechs Teile gegliedert: In Abschnitt 2 werden verschiedene Strukturen im Zusammenhang mit SHJ-TSCs sowie Herstellungsstrategien erörtert, die zur Erreichung idealer SHJ-TSCs entwickelt wurden. In den folgenden drei Abschnitten werden diese Strategien anhand konkreter Beispiele ausführlich erläutert. Der letzte Abschnitt schließt mit persönlichen Kommentaren zu den Richtungen der zukünftigen Forschung an solchen neuen Solarzellen….“

->Quellen: