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14. Februar 2020

Perowskit-Tandemsolarzelle erreicht neuen Rekord

Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat aus den Materialien Perowskit und Silizium eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 29,15 Prozent entwickelt.

Die Rekordzelle hat einen Labormaßstab mit einer aktiven Fläche von einem Quadratzentimeter. Eine Siliziumzelle bildet die untere, sogenannte Bottom-Zelle, darauf wird die Perowskitschicht mit ihren Kontaktschichten als Top-Zelle aufgebracht. So entsteht eine sogenannte monolithisch integrierte Perowskit-Tandemsolarzelle. Entwickelt wurde sie von zwei Wissenschaftsteams des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), davon eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Nachwuchsgruppe. Für die Rekordzelle haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler funktionelle Kontakt- und Zwischenschichten neu entwickelt bzw. optimiert und die Perowskit-Absorberschicht daraufhin angepasst. Da die beiden Halbleitermaterialien unterschiedliche Wellenlängen-Bereiche des Lichts einfangen, können sie zusammen mehr Lichtleistung in elektrische Leistung umwandeln – hier sogar 29,15 Prozent, ein neuer und deutlicher Weltrekord.

Die grundlagenorientierte Arbeit an dem für die Photovoltaik-Forschung vergleichsweise neu entdeckten Material der Perowskite geht dabei nahtlos in die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung über. So hat auch PersiST, ein durch das BMWi gefördertes Projekt am HZB, zu dem neuen Rekord beigetragen. Ein weiteres, P3T, baut nun darauf auf.

Förderprojekte des BMWi am Erfolg beteiligt

In PersiST, abgeschlossen im Herbst 2019, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HZB die Herstellungsprozesse sowohl der Perowskit- als auch der Siliziumzelle angepasst: „So sind normalerweise Vorder- und Rückseite von Siliziumzellen texturiert, sozusagen aufgeraut“, erklärt Dr. Lars Korte, Projektleiter am HZB. Für die im Projekt eingesetzten Prozesse, mit denen die Perowskit-Top-Zelle hergestellt werden soll, benötige man jedoch eine glatte Vorderseite. Deshalb wurde eine optimierte, nur auf der Rückseite texturierte Bottom-Zelle entwickelt. Auch die neue Rekordzelle enthält so eine Siliziumzelle mit glatter Vorderseite. Das in PersiST entwickelte Tandem-Zelldesign war dem der jetzigen Rekordzelle sehr ähnlich, so Korte: „Die Dinge greifen eng ineinander. Wir betreiben Grundlagenforschung an den Materialien und an kleinen Labor-Zellen, skalieren die Ergebnisse hoch und arbeiten mit internen und externen Partnern aus Forschung und Industrie an Lösungen für die Integration der Zellen in Module.“

Im Ende 2019 gestarteten Projekt P3T kümmert sich das Team unter Leitung von Lars Korte und Steve Albrecht nun schwerpunktmäßig um die Perowskit-Top-Zelle. „Hier beginnen wir jetzt mit der Struktur aus der Rekordzelle“, so Korte, „wir möchten möglichst diesen Schichtstapel weiterentwickeln.“ Dieser solle nun auf die aktuell in der industriellen Fertigung üblichen PERC-Siliziumzellen angepasst werden. Auch deren designierte Nachfolgestrukturen, die sogenannte POLO- oder auch TOPCon-Zelle, sind im Blick der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Zuständig für die Bottom-Struktur ist das Institut für Solarenergieforschung (ISFH) – in dem industrienahen Verbundprojekt sind insgesamt sechs Projektpartner beteiligt. Das Ziel ist es, hocheffiziente Tandemzellen mit größtenteils industriell etablierten Prozessen fertigen zu können.

Perowskit – das neue Material der Photovoltaik-Forschung

Die Kombination aus Silizium und Perowskit ist erst seit einigen Jahren in der Photovoltaik-Forschung relevant. Die erste Publikation mit einer organisch-inorganischen Perowskit-Schicht als photoaktives Material in einer Solarzelle wurde erst 2009 veröffentlicht. Die für die Photovoltaik relevanten Perowskite sind keine einfachen Materialien, sie sind vergleichsweise instabil und empfindlich gegenüber hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit. Forschung und Entwicklung haben jedoch dazu beigetragen, dass die Materialien entsprechend modifiziert und – unter anderem durch geeignete Verkapselungen – stabil eingesetzt werden können. Seit 2013 finden sich Solarzellen aus Perowskiten in den Charts des National Renewable Energy Laboratory (NREL) aus den USA, seit 2017 auch Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten. In diesen Charts sind nahezu alle Solarzell-Typen mit den jeweiligen Rekord-Wirkungsgraden verzeichnet. Die Kurven für Perowskit-Verbindungen sind seitdem steil angestiegen.

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