Photovoltaik: HZB holt Weltrekord-Wirkungsgrad für Tandemsolarzellen zurück

Seit 2008 ist die Materialklasse der Metallhalogenid-Perowskite in den Fokus der Photovoltaik-Forschung gerückt. Diese Halbleiterverbindungen wandeln das Sonnenlicht sehr effizient in elektrische Energie um und bieten noch viel Raum für Verbesserungen. Insbesondere lassen sie sich mit Silizium-Solarzellen zu Tandemsolarzellen kombinieren, die das Sonnenlicht noch effizienter nutzen können.

Wettrennen um Rekorde von Tandemsolarzellen

Am HZB arbeiten mehrere Gruppen seit 2015 intensiv sowohl an den Perowskit-Halbleitern, als auch an Siliziumtechnologien und der Kombination von beiden zu innovativen Tandemsolarzellen. Im Januar 2020 hatte das HZB den Rekordwert von 29,15 % für eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erreicht. Dann konnte die Firma Oxford PV vor Weihnachten 2020 einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % bekannt geben. Seitdem läuft das spannende Rennen. „Ein Wirkungsgrad von 30 % ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaik-Industrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt Steve Albrecht, der die Perowskit-Dünnschichten im HySPRINT-Innvovationslab am HZB untersucht.

Für diese Tandemsolarzelle wurde der Fokus auf die optische Verbesserung der Silizium-Heterojunction Bottomzelle gelegt. Dazu haben die Forscher:innen eine nanotexturierte Vorderseite und ein dielektrischer Rückreflektor eingefügt. Nun kam die offizielle Bestätigung: „Unsere neuen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen wurden mit einem Weltrekord-Wirkungsgrad von 29,80 % vom Fraunhofer ISE CalLab zertifiziert“, sagt Christiane Becker, Abteilungsleiterin Solarenergieoptik am HZB, die mit ihrem Team untersucht, wie sich durch Nanostrukturierungen die Reflexionsverluste verringern lassen.

Nanotexturiertes Silizium

Für die neue Arbeit untersuchten Philipp Tockhorn und Johannes Sutter, wie sich Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandemsolarzelle aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle auswirken. Zunächst berechneten sie mit einer Computersimulation die Photostromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen. Anschließend stellten sie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit verschiedenen Strukturierungen her. „Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Sutter. Und sein Kollege Tockhorn ergänzt: „Bemerkenswert ist, dass die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandemsolarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskit-Schichten führen.“

Dielektrischer Reflektor

Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, haben die Forscher:innen Verbesserungen erreicht. Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors kann die Tandemsolarzelle diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt.

Die Ergebnisse zeigen den Weg für weitere Verbesserungen auf. Denn die Simulationen legen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter steigern ließe. Ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 % könne erreichbar sein, davon sind die Forschenden überzeugt.

22.11.2021 | Quelle: HZB | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH