Berliner Forscher lösen das Problem von effizienten Tandem-Solarzellen

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat einen vergleichsweise einfachen Ansatz vorgestellt, mit dem sich hocheffiziente Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium für die industrielle Fertigung verbessern lassen - bei höherer Energieausbeute.

Winzige Unebenheiten ausgleichen

Eine nur wenige Nanometer dünne Schicht aus Cäsiumchlorid zwischen den beiden Teilzellen sorgt dafür, dass die Perowskitschicht gleichmäßiger wächst, teilten die Forscher mit. Mit dem Verfahren erreichten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 30,3 Prozent.

Tandem-Solarzellen kombinieren zwei lichtempfindliche Materialien: Perowskit wird auf eine Siliziumzelle aufgebracht und nutzt einen anderen Teil des Lichtspektrums der Sonne für die Stromerzeugung. Dadurch können solche Zellen mehr Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln als herkömmliche Siliziumzellen. Eine wichtige Herausforderung besteht allerdings darin, die empfindlichen Schichten zuverlässig auf den strukturierten Oberflächen industrieller Siliziumwafer aufzubringen.


Genau hier setzte das HZB-Team an. Die nanostrukturierte Oberfläche des Siliziums verbessert zwar die Lichtausbeute, erschwert aber die gleichmäßige Verteilung organischer Moleküle, die als sogenannte Lochtransportschicht dienen. Mithilfe von Infrarot- und Röntgenuntersuchungen am Synchrotron BESSY II konnten die Wissenschaftler die Grenzfläche zwischen den Schichten genauer analysieren.

Dabei zeigte sich, dass sich die Moleküle der organischen Schicht vor allem in den Vertiefungen der strukturierten Siliziumoberfläche sammelten. Auf den Erhebungen blieb die Oberfläche dagegen weitgehend unbedeckt. Beim anschließenden Aufbringen des Perowskits per Vakuumverfahren entstanden dadurch unerwünschte Defekte, unter anderem Bleiiodid. Diese beeinträchtigten die Leistungsfähigkeit der Solarzelle.

Verfahren für Großfertigung

Die zusätzliche Cäsiumchlorid-Schicht wirkt dagegen wie eine chemische Grundlage. Sie gleicht die Unebenheiten der darunterliegenden Schicht teilweise aus und ermöglicht ein gleichmäßigeres Wachstum der Perowskitkristalle. Dadurch lassen sich Defekte reduzieren und die Qualität der aktiven Schicht verbessern.

Das in Berlin entwickelte Herstellungsverfahren ist dabei kein Hexenwerk: Die Forscher setzen auf eine lösungsmittelfreie Ko-Verdampfung im Vakuum. Dieses Verfahren ist in anderen Industriezweigen bereits etabliert, etwa bei der Produktion von OLED-Displays und Mikroelektronik. Im Gegensatz zu vielen Laborverfahren wie der Spin-Beschichtung mit Flüssigkeiten lässt es sich zudem besser auf große, strukturierte Siliziumwafer übertragen.

Nach Einschätzung des HZB könnte die Kombination aus dem Wirkungsgrad von 30,3 Prozent und der industriell etablierten Fertigungstechnik helfen, Tandem-Solarzellen vom Labor in die Serienproduktion zu bringen. Die Technologie wäre insbesondere dort interessant, wo auf begrenzter Fläche möglichst viel Solarstrom erzeugt werden soll. Perowskite eröffnen zudem Möglichkeiten für leichte oder teilweise transparente Solarmodule, die sich etwa in Fassaden, Fenster oder Oberlichter integrieren lassen.

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