Wirkungsgrad-Rekord: „Höchster je gemessener Wert“
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen neuen Erfolg in der Solarforschung vermeldet. Mit ihren Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen haben sie den bisherigen Rekord beim Wirkungsgrad geknackt. Diese Entwicklung dürfte der nächste wichtige Schritt zur praktischen Anwendung der innovativen Technologie sein.
Sie sieht unscheinbar aus. Doch diese Solarzelle hat einen Rekord beim Wirkungsgrad gebrochen.
Foto: Marco A. Ruiz-Preciado, KIT
Wie viel Strom produzieren Solarzellen pro Quadratmeter? Das ist die entscheidende Frage, wenn es darum geht, das Potenzial der Sonnenenergie fürs Gelingen der Energiewende zu heben. Unzählige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen daher nach Wegen, den Wirkungsgrad der Anlagen zu verbessern. Ein Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist in dieser Hinsicht wieder einen wichtigen Schritt vorangekommen. Im EU-Projekt PERCISTAND haben sie gemeinsam mit Partnern an Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen gearbeitet. Das Ergebnis ist ein Wirkungsgrad, der die bisherige Bestmarke mühelos hinter sich lässt.
Wirkungsgrad-Rekord: Noch nie gemessener Wert
Die Forschenden vermelden einen Wirkungsgrad von fast 25%. Nach ihren Angaben sind solche Werte bei dieser Technologie noch nie gemessen worden. Das ist zwar weit von anderen Solarzellen entfernt, aber die neue Entwicklung hat einen besonderen Vorteil: Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen bestehen aus einer Materialkombination, die Leichtigkeit garantiert und damit vielfältige Anwendungsbereiche für die Technologie. Sie können beispielsweise an Fahrzeugen montiert werden oder an tragbaren Elektrogeräten. Das ist bei Tandem-Solarzellen aus Perowskiten und Silizium anders. Sie haben im Labor zwar bereits Strom mit einem Rekordwirkungsgrad von mehr 29,8% produziert. Das serienreife Modell schafft immerhin noch stolze 28,7%, doch die Module lassen sich nicht überall montieren.
Tandemsolarzelle bricht Weltrekord beim Wirkungsgrad
Möglich war das nur durch intensive Forschungsarbeit: Im EU-Projekt PERCISTAND versuchen Teams aus Forschenden und Industriepartnern gemeinsam, Solarkraft aus innovativen Materialien weiterzuentwickeln. Ein Schwerpunkt sind vierpolige Tandem-Solarzellen und Prototypen für Module auf Glassubstraten. Ziel von PERCISTAND ist es, die Dünnschicht-Photovoltaik so stark zu optimieren, dass sie auf dem Markt mit weit verbreiteten Technologien konkurrieren kann. Wichtige Vorarbeiten wurden im Rahmen des Projektes CAPITANO geleistet, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
Solarzellen werden gestapelt
Perowskite sind Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur. Ihr Wirkungsgrad reicht im Normalfall nicht an das klassische Silizium heran, sie sind aber in Kombination mit anderen Materialien vielversprechend. Denn den Wirkungsgrad von Solarzellen kann man erhöhen, indem man zwei oder mehrere Zellen stapelt. Dabei sollte jede Solarzelle auf einen anderen Bereich des Sonnenlichtspektrums ausgerichtet sein, um die Energieverluste zu minimieren.
Forschende sprechen dabei von Tandem-Solarzellen. Was für einen Unterschied Kombinationen machen, zeigt das Beispiel Perowskite und Silizium. Von dem Rekordwert von 29,8% waren die beiden Materialien für sich genommen noch weit entfernt. Solarzellen aus Perowskiten lagen bei ungefähr 25,7% und Silizium schaffte 26,7 Prozent.
Die 30-Prozent-Marke rückt näher: neuer Weltrekord bei Tandem-Solarzellen
Schmale Bandlücke brachte den Durchbruch beim Wirkungsgrad
Noch besser ist die Bilanz bei der Kombination von Perowskiten mit anderen Materialien, wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Die Tandem-Solarzellen, die daraus entstehen, sind besonders leicht und flexibel. Den Forschungsteam unter der Leitung der KIT-Mitarbeitenden ist es gelungen, einen Wirkungsgrad von 24,9% (23,5% zertifiziert) zu erreichen. „Dies ist der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer fast galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde“, sagt Marco A. Ruiz-Preciado vom KIT.
Die Verringerung der Galliummenge habe zu einer schmalen Bandlücke geführt – von etwa einem Elektronenvolt (eV). Das sei sehr dicht am Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle in einem Tandem. Die Bandlücke ist eine wichtige Materialeigenschaft, weil sie festlegt, welchen Teil des Sonnenspektrums eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu produzieren. In einer monolithischen Tandem-Solarzelle müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden – und umgekehrt.
Bei Tandem-Zellen werden normalerweise Perowskite mit hohem Bromgehalt eingesetzt. Die Folgen: Spannungsverluste und Phaseninstabilität. Am KIT war dank der schmalen Bandlücke ein niedriger Bromgehalt möglich und damit auch mehr Effizienz und Stabilität. Die Forschenden bezeichnen das als Meilenstein.
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