Tandemsolarzellen – im Doppel erfolgreich
Photovoltaik gilt als die Zukunft der erneuerbaren Energie. Denn die Effizienz von Solarzellen nimmt zu; die Herstellungskosten von Solarstrom sinken stetig. Wind- und sonnenreiche Regionen der Welt vermelden mittlerweile Stromgestehungskosten von unter zwei Cent pro Kilowattstunde. Damit ist erneuerbare Energie mittlerweile günstiger als konventionell hergestellter Strom. Um die Effizienz in der Photovoltaik geht es in dem Forschungsprojekt PEROWIN. Ein Team um Projektleiter Prof. Dr. Steve Albrecht von der Technischen Universität Berlin und dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie erreichte einen Wirkungsgrad von 32,5 Prozent, mit dem die einfallende Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Autorenteam veröffentlichte nun einen Artikel in der Juli-Ausgabe der renommierten naturwissenschaftlichen Fachzeitschrift Science. Das Besondere: Die Solarzelle funktioniert nur im Tandem: Mit einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle. Tandemzellen heißen die Zellen mit zwei aufeinandergestapelten Schichten dann. Das Projekt PEROWIN kombiniert dabei die bereits erfolgreichen Siliziumzellen mit Perowskit-Zellen. Die eine Schicht erzeugt Strom aus UV- und Blaulicht, die andere aus Rot- und Infrarotlicht. Mit zwei Schichten statt einer lässt sich also mehr Sonnenenergie auch tatsächlich in Strom umwandeln. Dabei haben sich Perowskit-Zellen erst in den letzten Jahren als geeignet erwiesen. Binnen weniger Jahre ist es Wissenschaftlern gelungen, den Wirkungsgrad von Perowskit-Zellen erheblich zu steigern.
„Wir freuen uns sehr über den erneuten deutlichen Effizienzsprung. Dieser zeigt das hohe Potenzial der Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, in den nächsten Jahren zu einer nachhaltigen Energieversorgung und zur Zeitenwende beizutragen", sagt Steve Albrecht.
Die Postdocs Dr. Silvia Mariotti und Dr. Eike Köhnen, der in der Arbeitsgruppe von Steve Albrecht an der TU Berlin promoviert hat, haben eine Grenzflächenmodifikation für Solarzellen entwickelt, bei der die Verluste der Ladungsrekombination weitgehend unterdrückt sind. Zudem haben die beiden Erstautoren der Studie spezielle analytische Messmethoden angewendet, um die grundlegenden Prozesse besser zu verstehen. Diese Entwicklungen wurden anschließend erfolgreich in Tandemsolarzellen übertragen und mit weiteren optischen Verbesserungen kombiniert.
In den letzten Jahren gab es eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgradwerte durch verschiedene Forschungseinrichtungen und Photovoltaik-Firmen weltweit. Verschiedene Teams vom HZB konnten Ende 2021 einen Rekordwert von knapp unter 30 Prozent (29,8 Prozent) erzielen. Sie hatten dafür spezielle, periodische Nanotexturen in die Solarzellen eingebracht. Im Sommer des vergangenen Jahres konnte dann die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz, diesen Wert nochmals deutlich übertreffen und als erste weltweit die 30-Prozent-Barriere durch eine zertifizierte Tandemzelle mit 31,3 Prozent Effizienz knacken. Der Wirkungsgrad von 32,5 Prozent vom HZB ist im Mai 2023 von der Gruppe um Stefaan De Wolf von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien überholt worden. Die neue Bestmarke: 33,7 Prozent.