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Perowskit-Silizium-Solarzellenkombination hilft Forschern bei der Erzeugung von effizienterem Photovoltaikstrom

Wissenschaftler entwickelten durch die Verbindung zweier Materialien für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom eine Tandemzelle. Ihre Technik könnte bei vertretbaren Kosten zu einer Steigerung der erzeugten Energiemenge beitragen.
Perowskit-Silizium-Solarzellenkombination hilft Forschern bei der Erzeugung von effizienterem Photovoltaikstrom
Photovoltaiksysteme, die nachhaltige und saubere Energie aus Sonnenlicht gewinnen, verzeichnen dank stetig sinkender Kosten weiterhin ein schnelleres Wachstum als jede andere nachhaltige Energiequelle. In dieser Hinsicht beherrschen siliziumbasierte Solarzellen aufgrund ihrer hohen Effizienz und Stabilität bei geringen Verarbeitungskosten den Markt. Doch auch andere Geräte, die auf der aufstrebenden Perowskit-Technologie basieren, haben es ins Rampenlicht geschafft. Diese Technologie scheint besonders aussichtsreich zu sein, da sie die Effizienz von Siliziumzellen möglicherweise noch weiter zu verbessern vermag.

Ein Team von Forschern, das unter anderem auch durch das EU-finanzierte Projekt CHEOPS unterstützt wurde, hat silizium- und perowskitbasierte Zellen in einer „Tandemformation“ vereint, um eine höhere Leistung zu erzielen, als die beiden Zellen einzeln erzielen könnten. Die Solarzelle der Forscher erreichte eine Effizienz von 25,2 %. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht. Diese Forschung demonstriert einen angepassten Perowskit-Ablagerungsprozess, der mit bestehenden industriellen monokristallinen Unterzellen aus Silizium vollständig kompatibel ist und der das Potenzial aufweist, „eine Leistungsumwandlungseffizienz von mehr als 30 % zu vernünftigen Kosten“ zu erreichen.

In einem Nachrichtenartikel, der auf der Projektwebseite veröffentlicht wurde, erklärt Mitverfasser Quentin Jeangros: „Die Oberfläche von Silizium besteht aus einer Reihe von Pyramiden, die etwa 5 Mikrometer messen, welche Licht einfangen und verhindern, dass dieses reflektiert wird. Diese Oberflächenstruktur erschwert jedoch die Ablagerung eines dünnen, homogenen Perowskit-Films.“

Wenn das Perowskit in flüssiger Form abgelagert wird, was üblicherweise der Fall ist, sammelt es sich in den Buchten zwischen den Pyramiden an, während die Spitzen nicht bedeckt werden. Dies führt zu Kurzschlüssen. Wissenschaftler an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) und dem Schweizerischen Forschungszentrum für Elektronik und Mikrotechnik CSEM gingen dieses Problem mithilfe von Verdampfungsmethoden an, um eine anorganische Grundschicht zu bilden, welche die Pyramiden vollständig bedeckt, bevor die organischen Perowskit-Komponenten aus einer Lösung abgelagert werden. Über Tempern bei geringer Temperatur kristallisiert daraufhin der Perowskit-Absorber. Die Tandemsolarzellen profitieren von der Siliziumstruktur, da diese einen unübertroffenen Fotostrom und folglich eine hohe Leistung ermöglicht.

Florent Sahli, der federführende Autor der Studie, ergänzt: „Bislang bestand der Standardansatz für die Herstellung einer Perowskit/Silizium-Tandemzelle darin, die Pyramiden der Siliziumzelle abzuflachen, was deren optische Eigenschaften und somit deren Leistung verringerte, bevor die Perowskitzelle darüber abgelagert wurde. Außerdem war der Herstellungsprozess umfangreicher.“

Integration in bestehende Solarstrom-Produktionslinien

Die im Zuge der Forschung entwickelten Prozesse sind darauf ausgelegt, dass die Herstellung der Unterzelle aus Silizium lediglich um ein paar spezifische Phasen erweitert wird. Hersteller von Siliziumzellen werden bei der Implementierung einer Perowskit-Oberzelle also nicht eine völlig neue Solartechnologie anwenden. Ungeachtet des Durchbruchs, den das Team erzielt hat, ist weitere Arbeit erforderlich, bevor diese Technologie kommerziell angewandt werden kann, dies betrifft insbesondere die langfristige Stabilität.

Das fortlaufende Projekt CHEOPS (Production technology to achieve low Cost and Highly Efficient phOtovoltaic Perovskite Solar cells) zielt darauf ab, photoaktive Perowskit-Materialien – synthetische Stoffe, welche die gleiche Kristallstruktur wie das natürlich vorkommende, nach dem russischen Mineralogen Mineral Lew Perowski benannte Mineral haben – der Vermarktung näher zu bringen.

Auf der Projektwebseite wird erklärt: „im Labormaßstab wurde die Energieumwandlung durch Perowskitgeräte seitdem schnell auf Effizienzen von mehr als 20 % gesteigert. Es wurden allerdings lediglich ein paar Versuche für die Maßstabsvergrößerung unternommen, die zu wesentlich niedrigeren Effizienzen von weniger als 9 % führten. Darüber hinaus wird nach wie vor über die Materialfestigkeit und über zuverlässige Messverfahren gesprochen.“

Weitere Informationen:
CHEOPS-Projektwebseite

Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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