Durchbruch gelungen!

 

Durchbruch gelungen: Forscher erhöhen Leistungsfähigkeit von Solarzellen

von Tobias Stahl am 17.12.2020

Silizium-Solarzellen werden immer effizienter und günstiger, aber leider nähert sich der Ausgangsstoff auch langsam an das Limit seines Wirkungsgrades an. Nun ist es deutschen Forschern jedoch gelungen, zwei Arten von Solarzellen zu einer Tandem-Solarzelle zu kombinieren, die über einen viel höheren Wirkungsgrad verfügt.

Silizium-Solarzellen erreichen inzwischen Wirkungsgrade von bis zu 26,7 Prozent. Allerdings handelt es sich dabei um die besten – und somit auch teuersten – Solarzellen auf Silizium-Basis, die noch dazu langsam auf ihr Limit zusteuern. In letzter Zeit rücken jedoch auch Solarzellen auf Basis des Minerals Perowskit ins Rampenlicht: Innerhalb von nur wenigen Jahren sind sie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 25,5 Prozent zu einer echten Konkurrenz für Silizium-Solarzellen geworden. Leider sind die besten Perowskit-Solarzellen noch recht kleinflächig.

Forscher des Helmholtz-Instituts in Berlin konnten nun zeigen, dass man aus beiden Arten von Solarzellen viel mehr machen kann als die Summe ihrer Teile – wenn man sie kombiniert. Silizium verwertet vornehmlich infrarotes Sonnenlicht und nur einen deutlich kleineren Teil der sichtbaren Wellenlängen des Sonnenlichts. Es gibt jedoch Halbleiterverbindungen in der Materialklasse der Perowskite, die das viel besser können.

er Silizium-Schicht einer Solarzelle ab, ergibt das eine Solarzelle, die die Sonnenenergie viel effizienter nutzen kann. Auf diese Weise werden mehr als 29 Prozent Wirkungsgrad erreicht – dabei ist der Prozess nicht einmal sonderlich kostenintensiv.

An der Kombination von Silizium- und Perowskit-Solarzellen arbeiten Forscher bereits seit einigen Jahren. Dabei war bisher eines der Hauptprobleme, dass die Perowskit-Schicht auf dem Silizium unter Bestrahlung instabil wird und an Qualität verliert. In der Wissenschafts-Fachzeitschrift Science erklärt die Arbeitsgruppe rund um Juniorprofessor Steve Albrecht vom Helmholtz-Zentrum nun, wie sie das Problem umgangen haben: Eine hauchdünne Schicht, eine "methylsubstituierte Carbazol-Monolage" wird auf die Zelle aufgebracht und verhindert, dass das Perowskit mit dem Silizium in Berührung kommt. Gegenüber der Neuen Zürcher Zeitung erklärt Juniorprofessor Albrecht, dass die vom Sonnenlicht erzeugten Ladungsträger dank der neuen Beschichtung schneller abgeführt werden könnten und nicht verloren gingen. So werde der hohe Wirkungsgrad von 29,1 ermöglicht. 

In der Schweiz feierte der Solarzellenforscher Christophe Ballif von der ETH Lausanne mit seinem Forscherteam kürzlich einen ähnlichen Durchbruch: Mit einem industriellen Druckverfahren konnten die Forscher eine Silizium-Perowskit-Tandemzelle herstellen, die mit einem Wirkungsgrad von 26,5 Prozent zwar nicht so effizient ist wie die deutsche Tandemzelle. Dafür ist Ballifs Tandemzelle mit vier Quadratzentimetern jedoch vier mal so groß. Das sind vielversprechende Hinweise auf eine mögliche Herstellung großflächiger Module. Juniorprofessor Albrecht ist zudem optimistisch, dass man den Wirkungsgrad der Tandemzellen durch eine Optimierung der elektrischen Kontakte und durch eine Verkleinerung der optischen Verluste noch auf 32 bis 33 Prozent steigern könnte.