Neuer Effizienzrekord für großflächige Dreifach-Perowskit-Solarzelle

Ein Forschungsteam um Professorin Anita Ho-Baillie, John-Hooke-Lehrstuhlinhaberin für Nanowissenschaften am Sydney Nano Institute, hat einen neuen Maßstab in der Photovoltaik gesetzt. Der entwickelte Zellentyp, eine sogenannte Triple-Junction-Perowskit-Perowskit-Silizium-Tandemzelle, erreichte bei einer Fläche von 16 cm² einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,3 %. Das ist der höchste bislang für ein großflächiges Bauteil dieser Art gemessene Wirkungsgrad. Eine kleinere Variante von 1 cm² kam auf 27,06 % und zeigte dabei den Forschenden zufolge eine außergewöhnliche thermische Stabilität.

Hohe Leistungsfähigkeit entscheidend

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht. In einer internationalen Kooperation mit Forschenden aus China, Deutschland und Slowenien wurde die Zelle über 200 Temperaturzyklen zwischen – 40 und 85 °C getestet. Auch nach 400 h Dauerbelastung unter Licht blieb die Leistungsfähigkeit zu 95 % erhalten. Damit erfüllt die Zelle erstmals die Anforderungen der International Electrotechnical Commission (IEC) für die thermische Belastbarkeit – ein entscheidender Schritt für den industriellen Einsatz.

Ein Dreifach-Verbund nutzt drei Halbleiterschichten, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts aufnehmen. So lässt sich ein größerer Anteil der eingestrahlten Energie in elektrische Leistung umwandeln. Für die Forschung gilt diese Architektur als aussichtsreicher Weg, um die physikalischen Grenzen herkömmlicher Siliziumzellen zu überwinden.

„Wir haben sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Beständigkeit dieser Zellen deutlich verbessert“, sagte Ho-Baillie. „Damit zeigen wir, dass große, stabile Perowskit-Bauelemente technisch machbar sind – und dass noch weiteres Effizienzpotenzial besteht.“

Chemisches Feintuning und nanotechnologische Präzision

Um die Stabilität zu erhöhen, ersetzte das Team den bisher oft verwendeten, aber weniger beständigen Stoff Methylammonium durch Rubidium. Das veränderte die Kristallstruktur des Perowskits und reduzierte Defekte, die zu Degradation führen können. Zudem kam anstelle des üblichen Lithiumfluorids die Verbindung Piperazinium-Dichlorid als Oberflächenbehandlung zum Einsatz. Beide Maßnahmen führten zu einer verbesserten chemischen Robustheit.

Für die elektrische Verbindung zwischen den beiden Perowskit-Schichten nutzten die Forschenden Gold in Nanopartikel-Form. Mithilfe hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigte sich, dass Gold auf dieser Skala keine zusammenhängende Schicht, sondern eine Ansammlung feiner Partikel bildet. Diese Erkenntnis ermöglichte es, die Partikeldichte gezielt so zu gestalten, dass Ladungsträger effizienter transportiert und Lichtverluste minimiert werden. Die neu konstruierte Dreifachzelle hielt dadurch hohen Belastungen stand, ohne nennenswerte Einbußen in der Leistung zu zeigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich mit weiteren Verbesserungen Wirkungsgrade jenseits der derzeitigen Laborwerte erreichen lassen.

Ho-Baillie, die auch dem Net Zero Institute der Universität Sydney angehört, betont die Relevanz des Fortschritts für die Praxis: „Dies ist die bislang größte demonstrierte Dreifach-Perowskit-Zelle, die unabhängig geprüft und zertifiziert wurde. Das gibt uns Zuversicht, dass diese Technologie auf industrielle Maßstäbe übertragbar ist.“

Perspektiven für eine industrielle Nutzung

Perowskit-Materialien gelten als vielversprechende Ergänzung zu Silizium, weil sie kostengünstig herstellbar sind und in gestapelten Architekturen einen größeren Teil des Sonnenspektrums erfassen können. Die größten Hürden lagen bisher in der begrenzten Lebensdauer und der Schwierigkeit, größere Module mit gleichbleibender Qualität zu fertigen. Der jetzt erreichte Rekord verbindet hohe Effizienz mit erstmals nachgewiesener Stabilität im großflächigen Maßstab.

„Es ist eine spannende Phase für die Solarenergieforschung“, sagt Ho-Baillie. Perowskit-Zellen zeigten bereits, dass sich die Grenzen von Silizium überschreiten ließen. „Mit jeder Verbesserung kommen wir einer bezahlbaren und dauerhaft stabilen Solarenergie näher, die einen wesentlichen Beitrag zu einer kohlenstoffarmen Energiezukunft leisten kann“, ist die Forscherin sicher.