Perowskit

May 20, 2023

Silizium-Solarzellen nähern sich ihrer theoretischen Effizienzgrenze von 29,4 Prozent. Letztes Jahr enthüllten Wissenschaftler jedoch, dass sie Tandem-Solarzellen entwickelt hatten, die erstmals die Effizienzschwelle von 30 Prozent übertrafen. Jetzt verraten sie nicht nur, wie ihnen das gelungen ist, sondern ein anderes Team sagt auch, dass sie diesen Rekord mit einem anderen Ansatz gebrochen haben.

Die gängigsten Solarzellen nutzen Silizium zur Lichtabsorption. Moderne kommerzielle Silizium-Solarzellen erreichen mittlerweile Wirkungsgrade von über 24 Prozent, die beste Laborzelle hat einen Wirkungsgrad von 26,8 Prozent.

Eine Möglichkeit, die Effizienz einer Solarzelle zu steigern, besteht darin, zwei verschiedene lichtabsorbierende Materialien in einem Gerät zu stapeln. Dieser Tandem-Ansatz vergrößert das Spektrum des Sonnenlichts, das die Solarzelle einfangen kann.

„Stabilitäts- und Skalierbarkeitsaspekte sollten jetzt im Mittelpunkt stehen.“

Immer mehr Wissenschaftler untersuchen den Einsatz von Perowskiten in Tandem-Solarzellen, da diese Kristalle kostengünstig sind und sich leicht im Labor herstellen lassen. Ein üblicher Ansatz besteht darin, eine obere Zelle aus Perowskiten zu verwenden, um sichtbares Licht mit höherer Energie zu absorbieren, und eine untere Zelle aus Silizium für Infrarotstrahlen mit niedrigerer Energie.

Im Jahr 2022 enthüllte ein Team deutscher Forscher, wie sie eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 29,8 Prozent entwickelten, während eine separate Gruppe am Schweizerischen Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie in Neuchâtel, Schweiz, und ihre Mitarbeiter einen neuen Rekord aufstellten von 31,25 Prozent.

„Es ist das erste Mal, dass eine Technologie mit einer für die Massenproduktion geeigneten Architektur einen Wirkungsgrad von über 30 Prozent erreicht“, sagt Quentin Jeangros, Materialwissenschaftler am Schweizerischen Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie.

Nun verrieten die Neuenburger Forscher und ihre Kollegen, wie sie ihr Gerät gebaut haben, während die Berliner Wissenschaftler und ihre Mitarbeiter eine neue Tandem-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von bis zu 32,5 Prozent vorstellten.

Die Neuchâtel-Gruppe enthüllte, dass ihr Gerät aus einer Perowskit-Oberzelle auf einer Silizium-Unterzelle mit Pyramiden von wenigen Mikrometern Höhe bestand. Die Verwendung einer strukturierten Oberfläche anstelle einer flachen Oberfläche verbesserte die Lichteinfangfähigkeiten der Oberfläche.

Dieses elektronenmikroskopische Bild der Vorderseite der hocheffizienten Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen zeigt eine strukturierte Oberfläche und eine Kohlenstoff-60-Fullerenschicht – beides trug dazu bei, die Lichteinfangung zu maximieren und Ladungsverluste zu verhindern.Quentin Jeangros und Chin Yu Xin/CSEM

Diese Gruppe verwendete eine zweistufige Methode zur Abscheidung des Perowskits. Zuerst nutzten sie thermische Verdampfung, um eine anorganische Schablone auf die mit Pyramiden bedeckte Silizium-Unterzelle aufzutragen. Als nächstes verwendeten sie eine Lösung, um dieses Gerüst zu Perowskit zu kristallisieren. Dies trug dazu bei, dass der Perowskit auch Pyramiden bildete, um Licht einzufangen.

Ein zentrales Problem, mit dem Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen konfrontiert waren, besteht darin, den Ladungsverlust durch die Rekombination negativ geladener Elektronen und positiv geladener Löcher in der Perowskit-Oberzelle zu verhindern, nachdem Licht zur Trennung dieser Ladungen beigetragen hat. Eine Strategie, mit der die Teams aus Neuchâtel und Berlin dieses Problem lösen wollten, bestand darin, eine Kohlenstoff-60-Fullerenschicht anzubringen, die dem Perowskit effizient Elektronen entziehen kann.

An Defekten auf der Perowskitoberfläche könnten sich Elektronen und Löcher jedoch rekombinieren. Die Neuchâtel-Gruppe vermied dies, indem sie bei der Kristallisation der Perowskitzellen Phosphonsäurezusätze verwendete, die dazu beitrugen, die Bildung dieser Defekte zu verhindern.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass die Technologie bereit ist, in die nächste Entwicklungsstufe überzugehen, was bedeutet, dass Stabilitäts- und Skalierbarkeitsaspekte nun im Mittelpunkt stehen sollten“, sagt Xin Yu Chin, Materialwissenschaftler an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne Photovoltaiklabor in Neuchâtel.

Mit einem anderen Ansatz setzte das Berliner Team auf eine ionische Flüssigkeit namens Piperaziniumiodid. Die Flüssigkeit ist ein Salz, das sowohl aus positiv geladenen Kationen als auch aus negativ geladenen Anionen besteht. Dadurch konnten positive und negative Oberflächendefekte auf dem Perowskit modifiziert werden, um die Rekombination zu reduzieren.

Beide Rekorde wurden von Wissenschaftlern der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien übertroffen, die im April Perowskit-Silizium-Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad von 33,2 Prozent und 33,7 Prozent im Mai entwickelten. Letztendlich „glauben wir, dass 35 Prozent ein erreichbares Ziel sind“, sagt Jeangros.

Die Neuchâtel-Gruppe konzentriert sich nun auf die Entwicklung industriell anwendbarer Verarbeitungsmethoden zur Produktionssteigerung und auf die Verbesserung der Betriebsstabilität dieser Geräte. „Es ist wahrscheinlich, dass die Technologie noch fünf bis zehn Jahre braucht, um auf den Markt zu kommen“, sagt Chin.

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse am 6. Juli in zweiStudien in der Fachzeitschrift Science.