Photovoltaik
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle mit konkurrenzfähigem Wirkungsgrad

Tandemsolarzellen werden in der Photovoltaik immer bedeutsamer. Aufgrund ihres spezifischen Aufbaus erzielen sie höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen, die nur aus einem Material bestehen. Im Projekt P3T haben Forschende mit einer neu entwickelten Tandemsolarzelle aus Perowskit und Silizium einen wesentlichen Fortschritt bei der Effizienz erzielt.

Hocheffiziente Solarzellen sind ein zentraler Baustein der Photovoltaik und damit auch für die Energiewende. Das Forschungsteam des Projekts „P3T - Perowskit-POLO-PERC Tandemsolarzellen und -module“ hat Photovoltaik-Materialien und -Konzepte in Tandemzellen weiterentwickelt. Durch erhöhte Wirkungsgrade und flexible Produktionsmöglichkeiten trägt die Forschung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu bei, zukünftig die Kosten der Tandem-Photovoltaik-Technologie zu reduzieren.

Tandemsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr übereinander geschichteten Solarzellen. Als Einfachsolarzellen dominieren heute PERC/POLO (bzw. TOPCon)-Zellen den Markt für hocheffiziente Photovoltaikmodule. Forschende des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) haben im Projekt P3T ihre jeweiligen Expertisen kombiniert, um die Tandemsolarzellen-Technologie darauf aufbauend weiterzuentwickeln.

Effizientes Tandem aus Perowskit und Silizium

Die in P3T für das Perowskit-Silizium-Tandem benötigte Silizium-Unterzelle hat das ISFH entwickelt. Dort wird bereits seit über zehn Jahren zu den beiden Kontakt-Technologien POLO (bzw. TOPCon) und PERC geforscht, die in der Silizium-Zelle angewendet werden. Die Forschenden des HZB haben auf dieser Basis ihre zehnjährige Forschungsarbeit zu Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen eingebracht und die Perowskit-Oberzelle entwickelt.

Als weiterer Projektpartner hat die Universität Potsdam an spezialisierter Analytik und Materialentwicklung für Perowskit-Zellen geforscht. Parallel waren im Projekt auch mehrere Industriepartner beteiligt, die unter anderem an der Skalierung der Prozesse und an neuen Messverfahren gearbeitet haben.

Die Verbundforschung hat sich gelohnt: Entwickelt wurde eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle, die erstmals die PERC-POLO-Silizium-Zelle als Unterzelle einsetzt und mit ihr einen relevanten Wirkungsgrad aufweist. Mit ihrem besten Zelltyp hat das Forschungsteam eine Effizienz von knapp 29 Prozent unter Laborbedingungen erzielt.

Wettbewerbsfähige Tandemsolarzellen für die Zukunft

Die Forschenden blicken zudem optimistisch in die Zukunft: Auf Basis der entwickelten Zellen erwarten sie ein zukünftiges Wirkungsgradpotenzial der Tandemsolarzelle von über 31 Prozent. Unter der Berücksichtigung weiterer Optimierungen, die die Optik und die Perowskit-Passivierung betreffen, schätzen sie einen Wirkungsgrad von etwa 33 Prozent als realistische Grenze für dieses Bauelement-Konzept ein.

Mit der entwickelten Zelle hat das Wissenschaftsteam gezeigt, dass es möglich ist, Tandemsolarzellen auf PERC/POLO-Basis mit einem konkurrenzfähigen Effizienz-Niveau zu bauen und dass die Technologie somit auf der Basis der dominierenden PERC/POLO-Zellen funktioniert.

Perspektivisch stehen weitere Forschungsarbeiten an. So muss die Funktionsweise nicht nur unter Laborbedingungen auf kleinen Flächen realisiert, sondern auch im Rahmen einer industriellen Produktion skaliert werden. Im Zuge dessen haben die Forschenden ebenfalls Themen wie die nachzuweisende Langzeitstabilität der Perowskit-Zellen oder die Optimierung von Produktionsverfahren (beispielsweise das Vakuum-Verdampfen als skalierbare Technologie) im Blick. (av)