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Dünnschicht-Photovoltaik: Effizient und vielseitig im Doppelpack

Solarzellen übereinander zu stapeln, steigert den Wirkungsgrad. Forscher am KIT Karlsruher Institut für Technologie haben gemeinsam mit Partnern im EU-Projekt PERCISTAND jetzt Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von rund 25 % hergestellt – dem bis jetzt höchsten für diese Technologie. Außerdem sorgt die Materialkombination für Leichtigkeit und Vielseitigkeit, sodass der Einsatz dieser Tandem-Solarzellen auch an Fahrzeugen, tragbaren Geräten sowie falt- oder rollbaren Vorrichtungen vorstellbar ist. Die Forscher stellen ihre Arbeit in der Zeitschrift ACS Energy Letters vor.

Perowskit-Solarzellen haben in nur zehn Jahren eine steile Entwicklung durchlaufen. Vom Wirkungsgrad her lassen sie sich bereits mit den seit langem etablierten Silizium-Solarzellen vergleichen. Bei Perowskiten handelt es sich um innovative Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur. Forschende arbeiten aktuell weltweit daran, die Perowskit-Photovoltaik reif für die praktische Anwendung zu machen. Für die Endverbrauchenden sind Solarzellen desto attraktiver, je mehr Strom pro Flächeneinheit sie erzeugen.

Der Wirkungsgrad lässt sich durch das Stapeln von zwei oder mehr Solarzellen erhöhen. Wenn dabei jede Solarzelle besonders effizient einen anderen Teil des Sonnenlichtspektrums absorbiert, lassen sich inhärente Verluste reduzieren und der Wirkungsgrad steigt. Dieser gibt an, wie viel vom einfallenden Licht in Strom umgewandelt wird. Perowskit-Solarzellen eignen sich dank ihrer Vielseitigkeit hervorragend als Bestandteil solcher Tandems. So haben Tandem-Solarzellen aus Perowskiten und Silizium einen Rekordwirkungsgrad von über 29 % erreicht – deutlich höher als der von Einzelzellen aus Perowskiten (25,7 %) und Silizium (26,7 %).

Kombination von Perowskiten mit CIS – Mobilität und Flexibilität

Zusätzliche Vorteile verspricht die Kombination von Perowskiten mit anderen Materialien, wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Dadurch werden flexible und leichte Tandem-Solarzellen möglich, die sich nicht nur an Gebäuden, sondern auch an Fahrzeugen und tragbaren Geräten anbringen lassen. Solche Solarzellen könnten sogar zur Aufbewahrung gefaltet oder gerollt und bei Bedarf ausgefahren werden, beispielsweise auf Jalousien oder Markisen, die vor Sonne schützen und gleichzeitig Strom erzeugen.

Einem internationalen Team aus Forschern unter Leitung von Dr. Marco A. Ruiz-Preciado und Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom LTI Lichttechnisches Institut und IMT Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT ist es jetzt gelungen, Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Spitzenwirkungsgrad von 24,9 % (23,5 % zertifiziert) herzustellen. Dies ist laut M. A. Ruiz-Preciado der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer nahezu galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde. Die Verringerung der Galliummenge führt zu einer schmalen Bandlücke von rund einem Elektronenvolt (eV), was dem Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle in einem Tandem sehr nahekommt.

CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke – Perowskit-Solarzellen mit wenig Brom

Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Sonnenspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen. In einer monolithischen Tandem-Solarzelle müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden; umgekehrt ebenso.

Um die Bandlücke für eine effiziente Tandem-Integration einzustellen, werden üblicherweise Perowskite mit hohem Bromgehalt verwendet. Dies führt jedoch häufig zu Spannungsverlusten und Phaseninstabilität. Da die Forscher am KIT und ihre Partner für ihre Tandems unten CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke einsetzen, können sie die oberen Solarzellen aus Perowskiten mit niedrigem Bromgehalt herstellen, sodass sie effizienter und stabiler sind.

Nach Aussage von U. W. Paetzold demonstriert die Studie das Leistungspotenzial von Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen und definiert die Basis für künftige Entwicklungen, die den Wirkungsgrad weiter verbessern können. Erreicht wurde dieser Meilenstein dank der guten Zusammenarbeit im EU-Projekt PERCISTAND und besonders dank der engen Kooperation mit der TNO Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Den Haag. Wichtige Vorarbeiten gelangen außerdem im nationalen Projekt CAPITANO, gefördert vom BMWK Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Berlin.

Über PERCISTAND

Im EU-Projekt PERCISTAND entwickeln Beteiligte aus Forschung und Industrie innovative Materialien und Prozesse für die Tandem-Photovoltaik mit Perowskiten auf Chalkogeniden wie CIS. Der Fokus liegt auf der Erprobung von vierpoligen Tandem-Solarzellen und Prototypen für Module auf Glassubstraten. PERCISTAND zielt darauf, die Dünnschicht-Photovoltaik in Effizienz, Stabilität und großtechnischer Herstellbarkeit so zu verbessern, dass sie mit den kommerziell bereits verfügbaren Photovoltaik-Technologien konkurrieren kann.

Über CAPITANO

Im vom BMWK geförderten Verbundprojekt CAPITANO entwickeln das KIT und das ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Stuttgart, innovative Materialien und Prozesse für die Perowskit/CIGS-Tandem-Photovoltaik. Die Ergebnisse des Projekts werden dazu beitragen, das Technologiecluster in Deutschland und der EU in seiner Innovationskraft weiter zu stärken.