Perowskit trifft CIGS: Diese flexible Tandemzelle setzt neuen Solarrekord
Ein Forschungsteam aus Berlin hat mit einer CIGS-Perowskit-Tandemzelle mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 25,5 Prozent einen Rekord aufgestellt.
Die neue Tandemsolarzelle kombiniert Halbleiter aus CIGSe und Perowskit. Sie erreicht einen Rekordwirkungsgrad von 25,5%.
Foto: G. Farias Basulto / HZB
Perowskit gilt als einer der großen Hoffnungsträger der Photovoltaik, CIGS als bewährte Dünnschichttechnologie für leichte und flexible Module. Ein Berliner Forschungsteam kombiniert nun beide Ansätze und erreicht mit einer CIGS-Perowskit-Tandemzelle einen zertifizierten Wirkungsgrad von 25,5 %. Der Rekord zeigt, wie viel Potenzial in Solarzellen steckt, die Sonnenlicht besser aufteilen und effizienter nutzen.
Die Photovoltaik spielt für die Energiewende eine wichtige Rolle. Solarmodule sind günstiger, leistungsfähiger und weltweit verfügbarer geworden. Doch damit ist die technologische Entwicklung längst nicht abgeschlossen. Gerade in der Forschung geht es zunehmend darum, die physikalischen Grenzen klassischer Einzelzellen zu verschieben. Ein besonders vielversprechender Weg sind Tandemsolarzellen. Sie stapeln unterschiedliche Halbleitermaterialien übereinander und nutzen dadurch verschiedene Anteile des Sonnenlichts effizienter aus. Genau auf diesem Feld meldet ein Berliner Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und dem Center for the Science of Materials Berlin an der Humboldt-Universität nun einen Rekord: Eine CIGS-Perowskit-Tandemzelle hat einen zertifizierten Wirkungsgrad von 25,5 % erreicht.
Stärken von zwei Materialwelten zusammengebracht
Für die Solarforschung ist das ein wichtiger Schritt. Denn hier treffen zwei Materialwelten aufeinander, die jeweils eigene Stärken mitbringen. CIGS steht für eine Dünnschichttechnologie auf Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Solche Zellen können sehr dünn, leicht und potenziell flexibel hergestellt werden. Perowskite wiederum gelten seit Jahren als besonders dynamisches Forschungsfeld, weil sie hohe Wirkungsgrade ermöglichen und sich vergleichsweise gut auf unterschiedliche Untergründe aufbringen lassen. In der Kombination entsteht ein Tandem, das Sonnenlicht geschickter verwertet als eine einzelne Schicht allein.
Das Prinzip: Sonnenlicht besteht aus unterschiedlichen Wellenlängen. Eine einzelne Solarzelle kann nicht alle davon optimal in Strom umwandeln. Ein Teil der Energie geht verloren. Das passiert zum Beispiel, weil Licht nicht absorbiert wird oder überschüssige Energie als Wärme verpufft. Tandemsolarzellen teilen diese Arbeit auf. Die obere Perowskit-Zelle nutzt vor allem energiereichere Anteile des Lichts, während die darunterliegende CIGS-Zelle längerwellige Anteile verwertet. Dadurch steigt die Chance, aus derselben Fläche mehr elektrische Energie zu gewinnen. Für Anwendungen, bei denen Fläche, Gewicht oder Flexibilität entscheidend sind, kann das ein wichtiger Vorteil werden.
Der Rekord zählt, weil er zertifiziert ist
Der Wirkungsgrad der CIGS-Perowskit-Tandemzelle wurde zertifiziert und in die sogenannte Solar Cell Efficiency Tables aufgenommen, die in der Photovoltaik-Fachwelt als international beachtete Rekordübersicht gelten. Um dort in dieser Kategorie gelistet zu werden, reicht kein winziges Spezialbauteil unter Idealbedingungen. Die Zelle muss eine Fläche von mehr als 1 cm2 haben. Die Berliner Zelle kommt auf 1,081 cm2. Das ist noch immer klein, aber groß genug, um den Rekord aussagekräftiger zu machen als viele reine Miniaturergebnisse.
Kleiner Sprung, gezielte Verbesserungen
Der bisherige Bestwert für diese Materialkombination und Zellgröße lag bei 24,6 %. Der Sprung auf 25,5 % zeigt, wie schnell sich das Forschungsfeld bewegt. Dabei geht es nicht um einen einzelnen Trick, sondern um viele gezielte Verbesserungen im Schichtaufbau. Das Team nutzte CIGS-Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken, testete verschiedene Dicken von aluminiumdotiertem Zinkoxid und optimierte mehrere Zellarchitekturen. Hinzu kamen Arbeiten an den Grenzflächen zwischen den Schichten. Gerade dort entstehen häufig Verluste, weil Ladungsträger rekombinieren, also wieder verloren gehen, bevor sie als Strom genutzt werden können.
Vom Zellrekord zum Modul bleibt Arbeit
Eine Rekord-Perowskit-Tandemzellezvon etwas mehr als 1 cm2 ist allerdings noch kein Solarmodul für den Markt. Zwischen Laborzelle und großflächigem Produkt liegen viele Herausforderungen: gleichmäßige Beschichtung, Skalierung, Langzeitstabilität, Verschaltung, Produktionskosten und Qualitätssicherung. Genau deshalb ist interessant, dass im Rahmen des europäischen Projekts „Solmates“ auch ein Minimodul mit ähnlichem Materialstapel hergestellt wurde. Es erreichte bei einer Fläche von 2,25 cm2 einen Wirkungsgrad von etwa 19,7 %. Das liegt zwar deutlich unter dem Zellrekord, zeigt aber, wohin die Reise geht. Die Technologie muss nicht nur auf einer kleinen Zelle funktionieren, sondern in größere, verschaltete Einheiten übertragen werden.
Stabilität bleibt entscheidendes Thema
Der Unterschied zwischen Zell- und Modulwirkungsgrad ist in der Photovoltaik normal. Beim Skalieren entstehen zusätzliche Verluste, etwa an Kontakten, Zwischenräumen oder in der gleichmäßigen Qualität der Schichten. Genau hier entscheidet sich, ob aus einem starken Laborergebnis eine industriell relevante Technologie wird. Für CIGS-Perowskit-Tandems ist diese Aufgabe besonders spannend, weil beide Materialklassen empfindlich auf Prozessführung und Grenzflächen reagieren können. Stabilität bleibt dabei ein zentrales Thema. Denn eine Solarzelle muss nicht nur am ersten Tag effizient sein, sondern über viele Jahre zuverlässig arbeiten.
Forschende wollen mehr
Trotzdem klingt aus der Meldung des Forschungsteams deutlich Optimismus. Dr. Guillermo Farias Basulto spricht davon, dass 25,5 % physikalisch gesehen nur ein Zwischenergebnis seien. In internen Tests mit ähnlichen Architekturen haben die Forschenden demnach bereits Wirkungsgrade von 27,5 % erreicht.
