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Single-Crystal Perovskite Tandem Solar Cells For High Efficiency and Low Cost

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Innovativer Ansatz für Solarzellenstruktur bricht sämtliche Effizienzrekorde

Dank wichtiger Durchbrüche im Jahr 2012 zogen Solarzellen aus Perowskit die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich. Seither wurde viel Forschung betrieben, um zu ergründen, wie bei einer Steigerung der Modulgröße die Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung bewahrt werden können. Nun stellt ein EU-finanzierter Forscher neue Rekorde auf.

Energie

Bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom wurden bisher Wirkungsgrade zwischen 3,8 % und 25 % für kleinflächige Perowskit-Zellen (unter 1 cm2) erreicht – dies ist als Konzeptnachweis nützlich, elektrische Geräte können jedoch so nicht betrieben werden. Der Wirkungsgrad von alltagstauglichen Vorrichtungen in Modulgröße bleibt dahinter zurück, denn er beträgt nur 16,1 %. Kommerziell erhältliche Siliziummodule weisen einen Wirkungsgrad von etwa 20 % auf, die besten kleinflächigen Zellen liegen hier bei 26 %.

Die Jagd nach den Wirkungsgraden

„Perowskite sind wohl viel günstiger und verfügen zudem über das Potenzial, neue Märkte für leichte, flexible Solarenergie zu eröffnen“, so Giles Eperon, leitender Forscher des EU-finanzierten Projekts Crystal Tandem Solar sowie Mitbegründer und Wissenschaftsdirektor des Start-ups Swift Solar, bei dem das Projekt durchgeführt wird. Allerdings, so führt er weiter aus, muss der Wirkungsgrad der Module etwa 20 % oder mehr betragen, um eine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Silizium sicherzustellen. Es gibt eine Höchstgrenze für den Wirkungsgrad, der praktisch erreichbar ist, wenn Einfachsolarzellen aus Perowskit, die aus nur einer Schicht lichtabsorbierenden Halbleitermaterials bestehen, verwendet werden. In der Praxis liegt dieser bei ungefähr 27 %. „Aktuelle Forschungsarbeiten nähern sich inzwischen mit Ergebnissen von etwa 25 % diesem Wert und nun wird es schwieriger, weitere Fortschritte zu erzielen, da die Höchstgrenze nicht mehr fern ist. Folglich verlangsamt sich die Entwicklung. Das Wirkungsgraddiagramm des US-amerikanischen Nationalen Labors für Erneuerbare Energien verdeutlicht dies“, merkt Eperon an. Das Projekt Crystal Tandem Solar hat versucht, über diese Höchstgrenze hinauszukommen. Dazu verwendete es zwei Schichten lichtabsorbierenden Halbleitermaterials in einer „Tandem“-Struktur. Eperon erklärt: „Das verschiebt die praktische Wirkungsgradgrenze viel weiter nach oben und wird die Wirkungsgrade ermöglichen, die mit Siliziummodulen konkurrieren können.“ Ursprünglich war vorgesehen, während des Projekts Silizium-Perowskit-Tandems einzusetzen. Jedoch wurde kurz vor dem Projektstart ein Durchbruch erzielt, bei dem sich zeigte, dass Tandems aus zwei Lagen Perowskit sehr effizient sein könnten. „Also änderten wir unsere Pläne und arbeiteten fortan an dieser spannenden Technologie, denn sie bot Möglichkeiten für die Konzeption einer noch günstigeren Solarzelle, die ebenfalls die Vorteile von Perowskiten aufweist. Letztere bestehen hauptsächlich darin, dass Perowskite flexibel und leicht sind“, sagt Eperon. Dies brachte neue Herausforderungen mit sich. „Bei Silizium konnten wir einfach den Wafer in die Lösung eintauchen, aus der der Perowskit wachsen soll. Bei Anwendung dieses Verfahrens auf zwei Perowskite allerdings würde der erste Perowskit sich auflösen, wenn er mit der Lösung in Kontakt kommt.“ Um dies zu umgehen konzentrierte sich Eperon, der seine Forschung mit Unterstützung durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen der EU durchführte, vor allem auf die Entwicklung einer robusten, schützenden Zwischenschicht. „Sobald wir das erreicht hatten, waren wir in der Lage, einen Perowskit auf einen anderen aufzusetzen, ohne dass diese dabei Schaden nahmen. Die Zwischenschicht setzte sich aus Oxidlagen zusammen, die mittels Atomlagenabscheidung und Sputterbeschichtung aufgebracht wurden“, erklärt Eperon. Mit dem Ziel, Energieverlust an den Korngrenzen gänzlich auszuschließen und somit den Wirkungsgrad zu steigern, stellte das Projektteam einkristalline Perowskit-Schichten her. Dies glückte nicht vollkommen, aber Eperon gelang es, breite, dünne, plattenähnliche Kristalle zu züchten, deren Form er kontrollieren konnte. Dazu nahm er Veränderungen am Verfahren für die Nanokristallsynthese vor. Er entwickelte die Zwischenschicht, die ein Wachstum auf dem ersten Substrat ermöglicht. Die Arbeit führte unmittelbar zu neuen Weltrekorden auf dem Gebiet der Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen. „Auf der Grundlage dieser Arbeit bot mir das US-amerikanische Nationale Labor für Erneuerbare Energien in Colorado nach Beendigung des Projekts eine Stelle an, um diese Forschungsrichtung weiter zu verfolgen. In diesem Rahmen konnten noch mehr Durchbrüche sowie weitere Rekord-Wirkungsgrade für Perowskit-Perowskit-Tandems erzielt werden. „Zusammen mit mehreren meiner Kollegen habe ich im Laufe des Projekts ein Start-up namens Swift Solar gegründet, das darauf ausgerichtet ist, die Technologie rund um die Perowskit-Perowskit-Tandems, an der ich während des Projekts gearbeitet habe, auf den Markt zu bringen. Da die Erschließung sauberer Energie immer dringender erwartet wird, stehen dieser Technologie alle Türen offen.“

Schlüsselbegriffe

Crystal Tandem Solar, Solarzellen aus Perowskit, Swift Solar, Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen

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