Tandemsolarzelle schafft 32,5 Prozent Wirkungsgrad
Der aktuelle Weltrekord von Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle liegt mit nunmehr 32,5 % Umwandlung der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie wieder beim HZB. Unter den neu aufkommenden Technologien seien die Silizium/Perowskit-Tandemzellen „absolute Spitze“. Der jüngste Weltrekord sei „ein großer Schritt voran“, teilte das HBZ-Berlin am 19.12.2022 mit. Das Zertifizier-Institut European Solar Test Installation (ESTI) in Italien hat die Tandemzelle vermessen und diesen Wert offiziell bestätigt. Außerdem wurde der Wert in die NREL-Übersicht zu Solarzelltechnologien eingetragen, die vom National Renewable Energy Lab, USA, gepflegt wird.
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle – aktive bläuliche Fläche in der Mitte des Wafers, von metallischer, silbriger Elektrode eingeschlossen – Foto © Johannes Beckedahl, Lea Zimmerman, HZB
Das HZB konnte die Effizienz von Perowskit/Silizium- Tandemsolarzellen erneut deutlich steigern. „Dies ist ein wirklich großer Sprung nach vorne, den wir vor einigen Monaten noch nicht vorhergesehen haben. Alle beteiligten Teams am HZB, speziell die Teams aus dem PV-Kompetenzzentrum (PVcomB) und dem HySPRINT Innovation Lab, haben hier hervorragend und mit großer Hingabe zusammengearbeitet“, sagt Prof. Steve Albrecht.
NREL entwickelt 1-Sonnen-Solarzelle mit höchstem Wirkungsgrad
Die neueste III-V-Solarzelle des NREL stellt nicht nur einen Weltrekord-Wirkungsgrad von 39,5 % bei 1-facher Sonneneinstrahlung auf, sondern erreicht dies auch durch ein Design mit nur drei Übergängen. Diese Zelle verwendet Quantentöpfe, um drei absorbierende Schichten präzise abzustimmen, wodurch die Weltrekordzelle im Vergleich zu früheren Rekordzellen einfach aufgebaut ist. (18.05.2022, NREL)
Modifikationen von Grenz- und Oberflächen
Sein Team nutzte eine verbesserte Perowskit-Verbindung und eine raffinierte Modifikation der Oberfläche. Die Postdocs Dr. Silvia Mariotti und Dr. Eike Köhnen, beides geteilte Erstautoren der Studie, haben eine Grenzflächenmodifikation entwickelt, bei der die Verluste der Ladungsrekombination weitgehend unterdrückt sind. Weiterhin haben sie spezielle analytische Messmethoden angewendet, um die grundlegenden Prozesse besser zu verstehen. Diese Entwicklungen wurden anschließend erfolgreich in Tandemsolarzellen übertragen und durch Masterstudentin Lea Zimmermann mit weiteren optischen Verbesserungen kombiniert.
Der Erfolg war nur durch weitere technische und wissenschtliche Expert*innen möglich, die an der Herstellung und Entwicklung der Tandemzellen beteiligt waren. Durch die Kombination aller Modifikationen wurden Höchstwerte für die Photospannung (Leerlaufspannung) und der neue Rekordwert der Effizienz für diese faszinierende Tandemtechnologie erzielt.
Rasante Fortschritte
In den vergangenen Jahren gab es weltweit eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgradwerte durch verschiedene Forschungseinrichtungen und Photovoltaik-Firmen. Speziell die vergangenen Monate waren dabei sehr aufregend: Verschiedene Teams vom HZB konnten Ende 2021 einen Rekordwert von knapp unter 30% (29,8%) erzielen. Sie hatten dafür spezielle, periodische Nanotexturen in die Solarzellen eingebracht. Im Sommer dieses Jahres konnte dann die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz, diesen Wert nochmals deutlich übertreffen und als erster weltweit die 30% Barriere durch eine zertifizierte Tandemzelle mit 31,3% Effizienz knacken.
Nun liegt der Höchstwert mit 32,5% jedoch wieder am HZB. „Wir freuen uns sehr über den erneuten deutlichen Effizienzsprung. Dieser zeigt das hohe Potenzial der Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, in den nächsten Jahren zu einer nachhaltigen Energieversorgung und zur Zeitenwende beizutragen“, sagt Albrecht.
Solarzellen-Effizienzen – Grafik @ nrel.gov
Der wissenschaftliche Geschäftsführer des HZB, Prof. Bernd Rech, betont: „Mit 32,5 Prozent ist der Solarzellenwirkungsgrad der HZB-Tandems jetzt in Bereichen, die bisher nur von teuren III/V Halbleitern erreicht wurden. In den NREL-Chart ist grafisch deutlich zu erkennen, wie spektakulär gerade die letzten beiden Steigerungen von EPFL und HZB sind.“red.
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