Forscher verbessern Wirkungsgrad bei Weltrekord-Tandemsolarzelle

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Im Frühjahr hatten Forscher eine Perowskit-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von knapp 30% vorgestellt. Jetzt haben sie die physikalischen Prozesse an den Grenzflächen genauer untersucht und den Ladungsträgertransport verbessert.

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Im Frühjahr 2020 hatten Forscher bei einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Peroskit einen Weltrekord beim Wirkungsgrad aufgestellt. Nun haben sie die physikalischen Prozesse genauer untersucht.
Im Frühjahr 2020 hatten Forscher bei einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Peroskit einen Weltrekord beim Wirkungsgrad aufgestellt. Nun haben sie die physikalischen Prozesse genauer untersucht.
(Bild: Eike Köhnen)

Im Frühjahr hatten Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) einen Weltrekord von 29,15% bei einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Perowskit erreicht (wir berichteten).

Damit hatte ein großes Team um Prof. Dr. Steve Albrecht am HZB den bisherigen Weltrekord bei Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit von 28,0% des Oxford PV übertroffen. Gegenüber der höchsten zertifizierten und wissenschaftlich publizierten Effizienz (26,2% in DOI: 10.1126/science.aba3433) war das ein großer Schritt. Der neue Wert ist am Fraunhofer ISE zertifiziert und in der NREL-Chart verzeichnet.

Tandem-Solarzelle ist mehr als 300 Stunden stabil

Was jetzt folgt ist eine genaue Erläuterung des Herstellungsprozesses und den Ergebnissen der Analysen. „Der Wirkungsgrad von 29,15% ist nicht nur der Rekord, sondern bildet in der NREL-Chart die Spitze der gesamten Kategorie <<Emerging PV>>“, sagt Eike Köhnen, Doktorand im Team von Steve Albrecht und geteilter Erstautor der Studie. Darüber hinaus zeichnet sich die neue Perowskit/Silizium-Tandemzelle durch eine Stabilität von mehr als 300 Stunden unter kontinuierlicher Belastung an Luft aus, und zwar ohne durch eine Verkapselung geschützt zu werden. Das Team verwendete eine komplexe Perowskit-Komposition mit 1,68 eV Bandlücke und konzentrierte sich auf die Optimierung der Substrat-Grenzfläche.

Mit Partnern aus Litauen (Gruppe um Prof. Vytautas Getautis) entwickelten sie eine Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstständig zu einer Monolage (self-assembled monolayer, SAM) anordnen. Sie nutzten dafür ein neuartiges Molekül auf Carbazol-Basis mit Methylgruppen (Me-4PACz). Diese SAM wird auf der Elektrode aufgebracht und soll das Abfließen der Ladungsträger verbessern. „Wir haben sozusagen zuerst das perfekte Bett eingerichtet, auf das sich die Perowskit-Schicht legt“ sagt Amran Al-Ashouri, der ebenfalls im Team von Albrecht promoviert und geteilter Erstautor der Studie ist.

Stabilität der Perowskit-Schicht

Mit einer Reihe komplementärer Untersuchungsmethoden analysierten die Forscher im Anschluss die unterschiedlichen Prozesse an den Grenzflächen zwischen Perowskit, SAM und der Elektrode: „Wir haben insbesondere den sogenannten Füllfaktor optimiert, der dadurch beeinflusst wird, wie viele Ladungsträger auf dem Weg aus der Perowskit-Unterzelle verloren gehen“, erklärt Al-Ashouri.

Die schematische Illustration zeigt den Aufbau der Tandem-Solarzelle.
Die schematische Illustration zeigt den Aufbau der Tandem-Solarzelle.
(Bild: Eike Köhnen, HZB)

Während die Elektronen in Richtung Sonnenlicht durch die C60-Schicht abfließen, müssen sich die Löcher in die entgegengesetzte Richtung bewegen und durch die SAM-Schicht in die Elektrode abfließen. „Allerdings sahen wir, dass Löcher sehr viel langsamer extrahiert werden als Elektronen, was den Füllfaktor limitierte“, erzählt Al-Ashouri. Tatsächlich aber hilft die SAM-Schicht erheblich beim Abtransport und trägt damit gleichzeitig zu einer besseren Stabilität der Perowskit-Schicht bei.

Durch eine Kombination von Photolumineszenz-Spektroskopie, Modellierung, elektrischer Charakterisierung und Terahertz-Leitfähigkeitsmessungen gelang es, die verschiedenen Prozesse an der Grenzfläche des Perowskit-Materials auseinanderzuhalten und zu ermitteln, wo die maßgeblichen Verluste herkommen. Die Forscher haben die beiden Unterzellen einzeln analysiert und einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 32,4% errechnet, welcher mit exakt diesem Aufbau erreicht werden kann. „Über 30% können wir sicher erzielen“, meint Albrecht.

Am Projekt beteiligt waren: die Kaunas University of Technology, Litauen, University of Ljublana, Slowenien, University of Sheffield, UK, die Universität Potsdam sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin und die Technische Universität Berlin, wo Albrecht eine Juniorprofessur hält. Die Arbeiten an den beiden Unterzellen fanden im HySPRINT-Labor und am PVcomB am HZB statt.

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