26.11.2021, 16:15 Uhr

Solar-Weltrekord: HZB-Tandemzelle erreicht fast 30 Prozent Wirkungsgrad


© HZB

Berlin – Im Wettrennen um immer leistungsstärkere Solarzellen haben drei Teams am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) die Marke von 30 Prozent Wirkungsgrad nur knapp verfehlt. Möglich machen das „Metallhalogenid-Perowskite“, deren Potenziale noch nicht ausgereizt sind.

Seit 2015 arbeiten am HZB mehrere Gruppen intensiv sowohl an Perowskit-Halbleitern, als auch an Siliziumtechnologien und der Kombination von beiden zu innovativen Tandemsolarzellen. So sollen schon bald Wirkungsgrade erreicht werden, die vor einigen Jahren noch kaum denkbar waren.

Wettrennen um Wirkungsgrad-Rekorde – wann fällt die 30 Prozent-Marke?

Bei den heutigen aus Silizium hergestellten Solarmodule sind Wirkungsgrad-Steigerungen weitgehend ausgereizt, nicht aber bei den „Metallhalogenid-Perowskiten“. Im Januar 2020 hatte das HZB den Rekordwert von 29,15 % für eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle aufgestellt und die Arbeit in der Fachzeitschrift Science publiziert. Dann konnte die Firma Oxford PV vor Weihnachten 2020 einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % bekannt geben. Seitdem läuft das spannende Rennen um die nächste Marke. „Ein Wirkungsgrad von 30 % ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaikindustrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt Steve Albrecht, der die Perowskit-Dünnschichten im HySPRINT-Innvovationslab am HZB untersucht.

Tandemsolarzelle – Weltrekord mit 29,80% durch optische Verbesserung

Für diese Tandemsolarzelle wurde der Fokus auf die optische Verbesserung der Silizium-Heterojunction Bottomzelle gelegt. Dazu wurde eine nanotexturierte Vorderseite und ein dielektrischer Rückreflektor eingefügt. Nun kam die offizielle Bestätigung: „Unsere neuen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen wurden mit einem Weltrekord-Wirkungsgrad von 29,80 % vom Fraunhofer ISE CalLab zertifiziert“, freut sich Christiane Becker, die mit ihrem Team untersucht, wie sich durch Nanostrukturierungen die Reflexionsverluste verringern lassen.

Welche Verbesserungen den Weltrekord ausmachen

Untersucht wurde, wie sich Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandemsolarzelle aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle auswirken. In Computersimulation wurde die Photostromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen durchgespielt. „Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Johannes Sutter.

Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, wurden Verbesserungen erreicht. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt Dr. Alexandros Cruz Bournazou.

Solar-Wirkungsgrade über 30 Prozent erreichbar

Die Ergebnisse zeigen den Forschenden den Weg für weitere Verbesserungen auf. Die Simulationen legen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter steigern ließe, so das HZB. Ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 Prozent könne erreichbar sein, davon sind die Forschenden überzeugt. Das Rennen ist offen.

Quelle: IWR Online

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