Silizium und Perowskit: Tandem für Solaranlagen liefert sensationellen Wirkungsgrad

Seit Jahren arbeiten Forschende daran, Solarzellen noch effizienter zu gestalten. Nun ist es zwei Forscher-Teams gelungen, sogenannte PERC-Zellen und Perowskit-Topzellen miteinander zu kombinieren.

Forschende nutzen eine herkömmliche Silizium-Zelle als Basis und kombinierten sie mit einer Perowskit-Topzelle.

Foto: Silvia Mariotti / HZB

Solarzellen müssen möglichst hohe Wirkungsgrade erreichen. Dabei soll die Zelle an sich so klein wie möglich sein. Gelingt hier der entscheidende Durchbruch, könnte das die Solarenergie entscheidend voranbringen. Denn kleinere Anlagen mit gleichzeitig hohem Wirkungsgrad lassen sich auf entsprechend weniger Fläche realisieren – sei es auf schmalen Dächern, auf Balkonen, an Hauswänden oder künftig sogar integriert in Fahrzeugdächern.

Standard in der Solarbranche sind aktuell Silizium-Zellen. Sie basieren auf sogenannten PERC-Zellen. Die Abkürzung steht für: „Passivated Emitter and Rear Cell“. Diese Zellen bieten eine höhere Lichtausbeute im hinteren Teil der Zelle. Dadurch erhöht sich zugleich auch die Elektronenausbeute. Das bedeutet hinsichtlich des Betriebs einer Solaranlage mit diesen Zellen: Anlagen dieser Art liefern auch bei schwachem und diffusem Licht einen ordentlichen Energieertrag. Unter Laborbedingungen haben PERC-Zellen durchaus einen Wirkungsgrad von rund 23% gezeigt. Gelungen was das zum Beispiel im Juni 2021 dem chinesischen Photovoltaik-Hersteller Trina Solar. Der TÜV Rheinland und der TÜV Nord bestätigten dieses Ergebnis unabhängig voneinander.

Runter mit den Emissionen: Schweiz will statt auf Importe auf Wind und Sonne setzen

Forschenden reicht es aber noch nicht aus. Angetrieben von der Idee, eine noch effizientere Solarzelle zu schaffen, haben sich zwei Teams vom Helmholtz Zentrum Berlin (HBZ) und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) diesem Forschungsziel gewidmet. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) hat dieses gemeinschaftliche Projekt gefördert. Schon länger experimentieren Forschende mit Zellen aus Silizium und Perowskit. Perowskit-Zellen sollen langfristig eine Alternative unter den Dünnschichtsolarzellen darstellen. Unter Laborbedingungen konnten bereits Wirkungsgrade von mehr als 25% erreicht werden. Bei den Zellen gibt es allerdings unterschiedliche Möglichkeiten, was den Aufbau betrifft. Es gibt Zellen, die auf Metalloxiden basieren oder auch sogenannte invertierte planare Zellen, die ähnlich wie organische Solarzellen aufgebaut sind.

Kombination Perowskit und Silizium soll mehr Sonnenenergie liefern

Die Forschenden sehen in der Kombination aus Silizium und Perowskit den Vorteil, dass sie ein breiteres Energiespektrum des Sonnenlichts deutlich effizienter in Energie umwandeln. Deshalb haben sie daran gearbeitet, eine Perowskit-Topzelle mit einer sogenannten PERC/POLO-Silizium-Zelle zu kombinieren. Von diesem speziellen Tandem erhoffen sich die Forschenden hohe Wirkungsgrade. Denn die PERC-Siliziumzelle gilt als das „Arbeitspferd“ der Photovoltaik. Sie nimmt einen Marktanteil von mehr als 50% für sich in Anspruch – und zwar weltweit. Es ist eine ausgereifte Technik, die gut mit Temperaturschwankungen umgehen kann und auch langfristig stabil bleibt, ohne dabei nennenswert an Wirkungsgrad zu verlieren.

Konkret hat das Team des ISFH an dem rückseitigen Kontakt der Silizium-Bottomzellen einen industriekompatiblen PERC-Prozess angedockt. Auf der vorderen Seite setzten sie auf einen sogenannten POLO-Kontakt, ebenfalls eine industrialisierbare Technologie. Bei dem nächsten Schritt kamen die Expertinnen und Experten des HZB hinzu. Sie trugen eine zinndotierte Indiumoxid-Rekombinationsschicht auf. Sie soll Kontakt zwischen den beiden Teilzellen herstellen. Zum Schluss folgte noch eine weitere Schicht: eine Perowskit-Zelle. Die ersten Zellen dieser neuen Art schafften es auf einen Wirkungsgrad von 21,3% auf einer aktiven Zellfläche von rund einem Quadratzentimeter. Damit liegt er allerdings noch unterhalb von den Ergebnissen, die optimierte PERC-Zellen erreichten.

Perowskit- und Silizium-Zellen: Forschende gehen von 29,5% Wirkungsgrad aus

Doch die Forschenden sind sich sicher, dass hinsichtlich des Wirkungsgrades noch Potenzial in dem Tandem steckt. „Erste experimentelle Ergebnisse und optische Simulationen deuten aber darauf hin, dass wir die Leistung durch Prozess- und Schichtoptimierung erheblich verbessern können“, sagt Lars Korte, korrespondierender Autor der Studie. Auf bis zu 29,5% ließe sich der Wirkungsgrad wohl erhöhen. Dafür sind allerdings noch weitere Details wichtig, die noch erforscht werden müssten.

Eine erste Möglichkeit sehen die Forschenden in dem Perowskiten, der die Silizium-Oberfläche abdeckt. Eine solche Anpassung der Oberfläche bedeute durchaus eine Effizienzsteigerung auf etwa 25%. Mit diesem Ergebnis lägen die Tandem-Zellen dann über dem von PERC-Einzel-Zellen.

Mehr zum Thema Photovoltaik: