Verbesserung des Wirkungsgrads von Tandemsolarzellen

Solarzellen aus Silizium sind weit verbreitet, haben aber eine begrenzte Stromausbeute. Aufgrund grundlegender thermodynamischer Beschränkungen wird die Ausbeute in absehbarer Zukunft wahrscheinlich bei etwa 27 % liegen. Module, die diese Solarzellen enthalten, werden eine maximale Ausbeute von etwa 23 bis 25 % haben.

Diese Beschränkungen können jedoch überwunden werden, indem Silizium mit einer komplementären Solarzelle kombiniert wird, die den blau-grünen Teil des Sonnenspektrums absorbiert und effizienter nutzt, so dass ein sogenanntes Tandem entsteht. Unter den verschiedenen Materialien, die für das Tandem verwendet werden können, haben sich Halogenidperowskite kürzlich als am besten geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad von Silizium zu erhöhen, ohne dass die Herstellungskosten erheblich steigen.

Ein Hindernis bestand darin, einen Weg zu finden, die Siliziumoberfläche – die absichtlich rau oder strukturiert ist – gleichmässig mit einem dünnen Film aus Halogenidperowskiten zu beschichten. Eine texturierte Oberfläche wird verwendet, um die Lichtreflexion zu minimieren. Diese Art von System ist bereits in allen handelsüblichen kristallinen Siliziumzellen zu finden.

Wissenschaftlerinnen des Labors für Photovoltaik und Dünnschichtelektronik (PV-lab) der EPFL unter der Leitung von Christophe Ballif haben 2018 eine Methode entwickelt, um Perowskit-Schichten gleichmässig auf texturiertem Silizium wachsen zu lassen. Ihre Proof-of-Concept-Geräte erreichten einen Wirkungsgrad von 25,2 %. Nun haben die Forschenden den Perowskit-Kristallisationsprozess verbessert und hochtransparente Fensterschichten entwickelt, die zu Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 29,2 % auf einer Fläche von 1 cm² führen. Diese Ausbeute wurde vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) in Deutschland unabhängig zertifiziert und stellt einen neuen Weltrekord für ein vollständig texturiertes Perowskit-Silizium-Bauelement dar.

Dies ist jedoch nur ein Zwischenschritt. Das Forschendenteam sieht bereits einen klaren Weg, um Erträge von über 30 % zu erreichen, indem der starke Strom, der durch die Siliziumtextur bereitgestellt wird, ausgenutzt wird. «Es sind noch mehrere Jahre Forschung und Entwicklung erforderlich, um eine solche Technologie und solche Herstellungsprozesse auf den Markt zu bringen», sagt Ballif. «Eine grosse Herausforderung ist die Entwicklung von Solarzellen, die auf unseren Dächern mehr als 25 Jahre lang stabil bleiben können. Aber der höhere Wirkungsgrad, den wir ohne Änderung der Fronttextur nachgewiesen haben, wird für die Photovoltaikindustrie sehr attraktiv sein», so Ballif. Die Entdeckung verspricht eine Senkung der Stromerzeugungskosten pro kWh, da auf der gleichen Fläche mehr Energie erzeugt wird.