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Schaffen die neuen Perowskit-Tandem-Zellen den Durchbruch?

Photovoltaik, Erneuerbare Energien

Forscher der EMPA aus der Schweiz und des Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, Tandem-Solarzellen mit dem Mineral Perowskit als Top-Schicht entscheidend zu verbessern. Während der Wirkungsgrad deutlich gesteigert wurde, konnte der notwendige Energieeinsatz reduziert werden. Diese Entwicklungen könnten der Tandem-Technik mit Perowskiten zum Marktdurchbruch verhelfen.

Die Perowskit-Solarzelle absorbiert UV-Licht und blaues Licht und lässt Rotlicht und Infrarot-Strahlung zur Bottomzelle durch. So konnte die Empa den Wirkungsgrad der Tandem-Zelle auf über 20% steigern. (Foto: Empa)

Die Perowskit-Solarzelle absorbiert UV-Licht und blaues Licht und lässt Rotlicht und Infrarot-Strahlung zur Bottomzelle durch. So konnte die Empa den Wirkungsgrad der Tandem-Zelle auf über 20% steigern. (Foto: Empa)

Weil Perowskit-Schichten das Licht im blauen Spektrum sehr effizient nutzen, ist es interessant, sie mit anderen Solarzellen zu kombinieren, die vor allem das langwellige, rote und nahinfrarote Licht umwandeln. Doch praktisch ist der Bau solcher monolithischer Tandemzellen aus einer Abfolge von aufeinander abgeschiedenen Schichten schwierig: Denn um hohe Effizienzen zu erhalten, werden die Perowskite üblicherweise auf Titandioxidschichten aufgeschleudert, die zuvor bei knapp 500 Grad Celsius gesintert werden müssen. Dies ist sehr energieintensiv und zudem nicht mit amorphen Siliziumschichten verträglich, die bei Tandem-Siliziumzellen den kristallinen Siliziumwafer bedecken.

Daher entwickelten die EMPA-Forscher eine halbtransparente Solarzelle aus Methyl-ammonium-Bleiiodid, das sich in Form winziger Perowskit-Kristalle abscheidet. Als Unterlage für den Perowskit dient eine Substanz mit dem Kürzel PCBM (Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester). Jedes Molekül PCBM enthält 61 Kohlenstoff-Atome, die in Form eines Fußballs miteinander verknüpft sind. Auf diese Fußballschicht wird sozusagen "lauwarm" der Perowskit aufgedampft. Dieser Kristall schluckt UV-Strahlen und den blauen Anteil des sichtbaren Lichts und wandelt diese in Strom. Rotes Licht und Infrarot-Strahlung lässt der Kristall jedoch passieren. Als untere Schicht der Tandem-Solarzelle diente den Forschern eine CIGS-Zelle (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid), die das restliche Licht in Elektrizität umwandelt.

Das Besondere ist nun nicht nur, dass diese Perowskit-Tandem-Solarzelle einen Rekordwirkungsgrad von 20,5 Prozent erreichte, sondern auch, dass das EMPA-Verfahren energiesparender als bisherige Herstellungsprozesse ist. So konnten die Forscher die zusätzliche Solarzellenschicht in einem Niedrigtemperaturverfahren bei nur 50 Grad Celsius erzeugen. Das verspricht für künftige Herstellungsprozesse einen Energie und Kosten sparenden Produktionsschritt.

Auch das Helmholtz-Zentrum Berlin konnte in der jüngsten Vergangenheit vielversprechende Fortschritte in der Entwicklung von Perowskit-Tandem-Zellen vermelden. Dabei wurden insbesondere Verbesserungen an der Transparenz des Topkontaktes erzielt. Die dafür notwendigen Metalloxide wurden durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) abgeschieden und würden unter üblichen Bedingungen die sensible Perowskit-Schicht sowie den Lochleiter zerstören. Hier hat das Team vom HZB das Verfahren modifiziert und eine transparente Schutzschicht aus Graphen eingebaut. Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die sich zu einem zweidimensionalen Netz aus „Bienenwaben“ anordnen und einen extrem dünnen Film bilden, der hoch leitfähig und vollkommen transparent ist.

Im ersten Schritt ließen die Wissenschaftler um Prof. Norbert Nickel das Graphen aus einer Methanatmosphäre bei etwa 1000 Grad Celsius auf einer Kupferfolie aufwachsen. Für das weitere Vorgehen stabilisierten sie die empfindliche Schicht mit einem Lack, der das Graphen vor Zerreißen schützt. Im folgenden Schritt wurde die Kupferfolie weggeätzt. So kann im Anschluss die nun freistehende Graphen-Lack-Schicht auf das Perowskit übertragen werden. Anschließende Messungen zeigten, dass wegen der nahezu vollständigen Transparenz der Graphenschicht kein Sonnenlicht für die Energieumwandlung verloren ging. Vor allem aber gibt es keine Einbußen bei der Leerlaufspannung, wie es beim Aufsputtern von Indium-Zinn-Oxid (ITO) der Fall ist.

Wissenschaftler wie die des HZB messen der Perowskit-Tandem-Zelle ein sehr hohes Zukunfstpotenzial zu und sehen noch ganz konkrete Verbesserungen: So könnten strukturierte Folien auf der Vorderseite Licht einfangen und in die Zelle einkoppeln, was den Wirkungsgrad weiter steigern würde. Auch die Silizium-Heterosolarzelle, die bei den HZB-Wissenschaftlern die Bottom-Zelle und gleichzeitig das Substrat für die Perowskit-Topzelle bildet, biete noch Potenzial für Verbesserungen. Während diese Zelle für das Perowskit-Silizium-Tandem im Moment noch auf einem glatten Silizium-Wafer hergestellt wird, könnte durch eine Strukturierung des Wafers mit Lichteinfangstrukturen, z.B. Zufallspyramiden, die Effizienz bis auf 25 oder sogar 30 Prozent gesteigert werden, sagt Dr. Lars Korte, Leiter der Arbeitsgruppe Silizium-Hetero-Kontaktsysteme am Institut für Siliziumphotovoltaik der HZB.

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"Schaffen die neuen Perowskit-Tandem-Zellen den Durchbruch?" wurde am 01.12.2015 verfasst