Deutschland kann einen neuen Solar-Rekord feiern: Ein deutsches Forschungsteam hat eine Tandem-Solarzelle entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 24 Prozent erreicht – das ist der höchste Wirkungsgrad, der bislang durch die Kombination von organischen und Perowskit-basierten Absorbern erzielt werden konnte.
Ein deutsches Forschungsteam hat eine Tandem-Solarzelle aus Perowskit und organischen Absorberschichten mit hoher Effizienz entwickelt, die kostengünstiger herzustellen ist als herkömmliche Solarzellen aus Silizium. Die Weiterentwicklung dieser Technologie soll eine noch nachhaltigere Gewinnung von Solarenergie ermöglichen.
Die Solarzelle wurde in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Thomas Riedl an der Universität Wuppertal zusammen mit Forschenden vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Köln und weiteren Projektpartnern von den Universitäten Potsdam und Tübingen sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf entwickelt. Die Zelle erreicht einen Wirkungsgrad von 24 Prozent, gemessen anhand des Anteils der in Strom (Elektronen) umgewandelten Photonen. Damit konnte das Team einen neuen Weltrekord bei der Kombination von organischen und Perowskit-basierten A
Silizium-Solarzellen gelten als so gut wie "ausoptimiert"
Bislang basieren gängige Solarzellentechnologien überwiegend auf dem Halbleiter Silizium – Silizum-Solarzellen gelten inzwischen allerdings als so gut wie "ausoptimiert". Signifikante Verbesserungen ihres Wirkungsgrades sind kaum noch zu erwarten. Die Forschenden der Arbeitsgruppe kombinierten in ihrer vorliegenden Arbeit nun alternative Absorbermaterialien: Zum einen kamen organische Halbleiter zum Einsatz, also Kohlenstoffverbindungen die unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom leiten können. Diese wurden mit Perowskit-Halbleitern kombiniert, die auf einer Blei-Halogen-Verbindung basieren und "hervorragende halbleitende Eigenschaften" besitzen. Zur Herstellung beider Technologien ist der Bedarf an Material und Energie bedeutend geringer als bei konventionellen Siliziumzellen, was die Möglichkeit eröffnet, noch nachhaltigere Solarzellen zu entwickeln.
Da Sonnenlicht aus verschiedenen Spektralanteilen, also Farben, besteht, müssen effiziente Solarzellen einen möglichst großen Anteil dieses Sonnenlichtes in Strom umwandeln. Dies kann mit sogenannten Tandem-Zellen erreicht werden, bei denen in der Solarzelle verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, welche jeweils unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums absorbieren. In der aktuellen Studie kamen organische Halbleiter für den ultravioletten und sichtbaren Teil des Lichtes zum Einsatz, während Perowskit den nahen Infrarotbereich effizient absorbieren kann. An ähnlichen Materialkombinationen wurde schon in der Vergangenheit geforscht, doch dem Forschungsteam gelang es nun, deren Leistungsfähigkeit entscheidend zu steigern.
In Zukunft Wirkungsgrade von 30 Prozent möglich
Zu Projektbeginn hatten die weltweit besten Perowskit/Organik-Tandemzellen einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Unter Federführung der Universität Wuppertal konnten die Kölner Forschenden zusammen mit den weiteren Projektpartnern den neuen Bestwert von 24 Prozent erzielen. "Um solch hohe Effizienz zu erreichen, mussten innerhalb der Solarzelle die Verluste an den Grenzflächen zwischen den Materialien minimiert werden", erklärt Dr. Selina Olthof vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Köln in einer Pressemitteilung. "Hierzu entwickelten die Wuppertaler Forscher einen sogenannten Interconnect, der die organische Subzelle mit der Perowskitzelle elektrisch und optisch verbindet."
Um Verluste so gering wie möglich zu halten, wurde als Interconnect eine nur 1,5 Nanometer dünne Schicht aus Indiumoxid in die Solarzelle integriert. Die Forschenden aus Köln trugen hier maßgeblich dazu bei, die Grenzflächen sowie den Interconnect elektrisch und energetisch zu untersuchen, um Verlustprozesse zu identifizieren und eine weitere Optimierung der Bauteile zu ermöglichen. Simulationen der Wuppertaler Arbeitsgruppe zeigen, dass mit diesem Ansatz in Zukunft Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad jenseits der 30 Prozent erreichbar sind.
Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Perovskite/organic tandem solar cells with indium oxide interconnect“ in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
19.04.2022
