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High Performance Wide Bandgap and Stable Perovskite-on-Silicon Tandem Solar Cells

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Strukturiertes Silizium könnte der beste Partner für Perovskite sein

Die Kombination von Perovskiten und Silizium in Tandem-Solarzellen könnte die Effizienzbarriere herkömmlicher Solarzellen durchbrechen und die Sonnenenergie für die breite Verwendung öffnen. EU-finanzierte Forschung hat Materialien, Prozesse und Fertigungsmethoden beleuchtet, die dies schon bald ermöglichen könnten.

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Die Photovoltaikindustrie (PV) hat sich seit der Schaffung der ersten praktischen Silizium-Solarzelle in den 1950er Jahren erheblich entwickelt. Im Jahr 2018 wurden weltweit mehr solare PV-Kapazitäten geschaffen als in jeder anderen Stromerzeugungstechnologie, sogar mehr als in allen fossilen und Kernbrennstoffen zusammen, und mehr als alle anderen erneuerbaren Energien zusammengenommen. Ungeachtet erheblicher Fortschritte lag der Anteil der Sonnenenergie an der globalen Stromleistung 2018 bei lediglich 2 %. Zur Durchdringung des Marktes sind wesentliche Steigerungen in der Energieumwandlungseffizienz erforderlich, damit proportionale Senkungen in den nachgelagerten Kosten möglich sind. Perovskite zählen zu den aussichtsreichsten Materialien, die zunehmend Beachtung finden. Mit der Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm wandte das Projekt POSITS Hightech-Charakterisierungs- und Verarbeitungsmethoden an, um die Technologie für die Perovskit-Nutzung weiterzuentwickeln.

Das wichtige Potenzial von Perovskiten

Während die Silizium-PV-Technologie 65 Jahre auf dem Buckel hat, stehen Perovskite erst seit etwa einem Jahrzehnt im Rampenlicht. Laut Projekt-Fellow Dr. Terry Chien-Jen Yang „haben Perovskit-Solarzellen einen nie dagewesenen Fortschritt in Bezug auf die Stromumwandlungseffizienz von 3,8 % im Jahr 2009 auf bestätigte 25,2 % im Jahr 2019 geschafft.“ Die Effizienz dieser Zellen kann durch die Kombination von Materialien mit verschiedenen Bandlücken weiter gesteigert werden, um eine bessere Nutzung des Sonnenspektrums zu ermöglichen. Tandem-Solarzellen beispielsweise, die Silizium mit einer Bandlücke von 1,12 eV und Perovskite im Bandlückenbereich von 1,65 bis 1,7 eV kombinieren, haben das Potenzial, Effizienzen von über 30 % zu erreichen, Werte, die bei der alleinigen Verwendung von Silizium nicht erreicht werden können.

Förderung einer neu entstandenen Technologie und Überwindung von Herausforderungen

Die effektivste Methode zur Einstellung der Perovskit-Bandlücke ist eine Halid-Substitution. Dies kann jedoch zu Instabilitäten führen. Yang erklärt hierzu: „Eines der zentralen Probleme ist die lichtinduzierte Phasensegregation, ein Phänomen, das die Trennung des Perovskit-Materials in jodreiche und bromreiche Domänen verursacht. Dies senkt die Stromspannung und die Effizienz der Perovskit-Zellen mit hoher Bandlücke.“ POSITS wurde ins Leben gerufen, um diese Segregation zu charakterisieren und um Wege für deren Optimierung zu finden. Die Forscher prüften eine Reihe von Perovskit-Materialien als Kandidaten für die Verbesserung der Stabilität und Reduzierung der Phasensegregation. Das Team charakterisierte komplexe Brechungsindexe von Perovskiten mit hoher Bandlücke unter Verwendung optischer und struktureller Methoden. Im Zuge umfassender Forschung wurde ebenfalls die Phasensegregationskinetik untersucht und wurden Mechanismen für die Ratenkontrolle sowie die Wirkung des Prozesses auf die Lumineszenzausbeute ermittelt. Der vielleicht wichtigste Beitrag von POSITS ist die Unterstützung in der Entwicklung eines zweistufigen hybriden Abscheidungsverfahrens, um funktionale Zellen auf strukturieren Silizium-Bottomzellen anstatt auf flachen Silizium-Bottomzellen zu erhalten. Das Projekt demonstrierte die Bedeutung der Struktur für die Schaffung eines höheren Kurzschlussstroms im Vergleich zu Tandem-Konstruktionen mit Perovskit auf flachen Silizium-Zellen. Die neuesten Ergebnisse von POSITS wurden zur Veröffentlichung eingereicht. Yang fasst zusammen: „Die Verwendung kommerziell relevanter strukturierter Silizium-Bottomzellen anstelle von flachen [Bottomzellen] könnte die Zukunft der Perovskit-auf-Silizium-Tandem-Solarzellentechnologie sein. Wir sind noch einen Schritt davon entfernt, unser Ziel einer Effizienz von 30 % zu erreichen, doch wir haben unser Wissen über die Materialien und Geräte, die hierzu erforderlich sind, stark verbessert.“ Obwohl nach wie vor Verbesserungen in der Leistung und langfristigen Stabilität erforderlich sind, sind Perovskite auf dem Weg, in Zukunft eine wichtige Rolle für Solarzellen und möglicherweise für sonstige optoelektronische Geräte, die wir heute verwenden, zu spielen.

Schlüsselbegriffe

POSITS, solar, Perovskit, Solarzelle, Silizium, Effizienz, Tandem, Photovoltaik (PV), Bandlücke

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