Forschende des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben den Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen auf fast 30 % gesteigert.

 

Tandem-Solarzellen kombinieren die Eigenschaften von zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Mit einer Tandemzelle aus Silizium und Perowskit ist es drei Teams des HZB gelungen, eine Umwandlungseffizienz von 29,8 % zu erzielen - ein neuer Weltrekord für diese Solarzellen-Klasse. 

Im Januar 2020 hatte das HZB bereits den damaligen Rekordwert von 29,15 % erzielt, dann gab die Firma Oxford PV vor Weihnachten 2020 einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % bekannt. Seitdem läuft das spannende Rennen, wer als Erstes die 30 erreicht. „Ein Wirkungsgrad von 30 % ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaikindustrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt Steve Albrecht, der die Perowskit-Dünnschichten im "HySprint"-Innvovationslab am HZB untersucht.

Für die aktuelle Weltrekord-Tandem-Solarzelle des HZB wurde der Fokus auf die optische Verbesserung der Siliziumzelle gelegt. Dazu wurden eine nanotexturierte Vorderseite und ein dielektrischer Rückreflektor eingefügt. Bei der Nanotexturierung wird die an sich glatte Oberfläche der Zelle mit einer Struktur im Nanometerbereich versehen, wodurch mehr Licht in den eigentlichen Halbleiter eindringt. „Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Johannes Sutter vom HZB. 

Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, gab es Verbesserungen. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt Alexandros Cruz Bournazou. Bei dielektrischen Reflektoren handelt es sich um eine nichtmetallische Beschichtung, bei der die Materialzusammensetzung präzise bestimmt, welche Wellenlängen reflektiert werden und welche das Material passieren. 

Die Ergebnisse zeigen den Weg für weitere Verbesserungen auf. Denn die Simulationen legen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter steigern ließe. Ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 % könne erreichbar sein, davon sind die Forschenden überzeugt.

Das Rennen um die 30 % ist offen.