Photovoltaik-Technologie: Hoffnung auf höheren Wirkungsgrad 21.09.2021, 15:52 Uhr

Weniger Materialdefekte bei Perowskit-Solarzellen

Am Karlsruher Institut für Technologie ist es gelungen Materialdefekte zu minimieren und damit den Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen zu steigern. Dies könnte auch Effekte für den Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen haben.

Eine neue Materialkombination für Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit könnte maßgeblich den Wirkungsgrad erhöhen (im Bild eine Perowskie-Solarzelle). Foto: Markus Breig, KIT

Eine neue Materialkombination für Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit könnte maßgeblich den Wirkungsgrad erhöhen (im Bild eine Perowskie-Solarzelle).

Foto: Markus Breig, KIT

Der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix wächst. Hinter der Windkraft ist es deutschlandweit vor allem die Energie der Sonne, die für eine nachhaltige Versorgung von Haushalten und Firmen mit grünem Strom sorgt. Daher arbeiten Forschungsinstitute weltweit daran, die Möglichkeiten der Photovoltaik-Technologie weiter zu verbessern. Forschende aus Baden lieferten dafür jetzt einen wichtigen Mosaikstein: Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) konnte ein Forscherteam Materialdefizite an Perowskit-Solarzellen reduzieren und dadurch deren Wirkungsgrad erhöhen.

Perowskit-Solarzellen: Detailverbesserung mit Strahlwirkung

Derzeit flächendeckend verwendete Silizium-Solarzellen erzielen maximal einen Wirkungsgrad von 29,4 %. Neuartige Solarzellen, basierend auf der metallorganischen Perowskit-Verbindung, lassen sich deutlich günstiger und einfacher herstellen und gehören zudem schon heute zu den effizientesten Dünnschichttechnologien der Photovoltaik. Eine Kombination aus Silizium und Perowskit in Tandemzellen könnte nach Auffassung der Wissenschaftler zukünftig Wirkungsgrade über 33 % erzielen. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichte das Team jetzt in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science.

Und so könnte die Optimierung gelingen: Um den bestmöglichen Wirkungsgrad für Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit zu erreichen, wird in der Perowskit-Solarzelle eine spezielle Abfolge mehrerer Schichten verwendet. Materialdefekte im Perowskit und an den Grenzflächen reduzieren jedoch typischerweise den Wirkungsgrad. „Mit einer neuen Materialkombination konnten wir die Anzahl der Defekte deutlich reduzieren und damit einen Wirkungsgrad von 22,7 % im Labor erreichen“, so Erstautor Paul Faßl vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. Dafür gaben die Forschenden der Perowskitschicht eine Substanz hinzu und behandelten zugleich die Schichtoberfläche damit, bevor die nächste Schicht aufgebracht wurde. Die nächsten Schritte hat das Team um Ulrich W. Paetzold bereits im Blick: „Zukünftig werden wir diese Strategie auch für Tandemsolarzellen adaptieren, um hier den Wirkungsgrad auf über 30 % zu steigern.“

Tandemsolarzellen: Bisheriger Weltrekord in Freiburg

Zuletzt war es im Sommer 2020 am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg gelungen den Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen deutlich zu verbessern. Die auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat basierende Zelle erzielte einen Wirkungsgrad von 25,9 % – und damit einen neuen Weltrekord. Seit vielen Jahren arbeiten die Breisgauer an einem Herstellungsverfahren, bei dem Schichten aus III-V-Halbleitern direkt auf eine Siliziumsolarzelle abgeschieden werden. Bei den Halbleitern handelt es sich um Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems, die das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln. Bei der Herstellung ist entscheidend, eine hohe Kristallqualität aller Schichten zu erhalten. Für eine solche, direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si-Tandemsolarzelle, wurde jetzt ein neuer Weltrekord-Wirkungsgrad erzielt. In weniger als einem Jahr war es Markus Feifel vom Fraunhofer ISE gelungen, den Wirkungsgrad von 24,3 auf 25,9 % zu verbessern.

In kleinen Schritten haben die Fraunhofer Forscher die Technologie seit 2007 gemeinsam mit der TU Ilmenau, der Philipps Universität Marburg und dem Elektronikunternehmen Aixtron weiterentwickelt. Eine maßgebliche Besonderheit ihrer Tandemsolarzelle: Die III-V-Schichten wurden nicht wie bisher üblich auf einem chemisch-mechanisch polierten Substrat gewachsen, sondern auf einem Silizium-Wafer, der nach dem Sägen des Kristalls in einem einfachen Verfahren mittels kostengünstiger Schleif- und Ätzprozesse behandelt wird.

 

 

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