Silizium trifft Titanat: Solarzellenkombi tritt aus dem Schatten hervor

Obwohl herkömmliche Solarzellen auf Siliziumbasis sich weltweit etabliert haben, werden zusätzliche Leistungsverbesserungen immer schwieriger. Diese Einschränkung veranlasst Wissenschaftler, nach neuen Technologien zu suchen, die mit Siliziumzellen kombinierbar sind, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

Solarzellen aus Perowskit-Kristallen könnten diese Lücken füllen und haben sich schnell als attraktive, kostengünstige Ergänzung erwiesen. Diese Zellen auf Basis von Calcium-Titan-Oxid sind jedoch anfällig für spannungsbedingte Veränderungen. Der Schatten eines überhängenden Astes oder einer nahegelegenen Pflanze kann ein ganzes Modul innerhalb von Minuten zerstören.

Die Verbindung der bewährten Siliziumsolarzelle mit dem anfälligen Perowskit in einer sogenannten Tandem-Solarzelle ist jüngst Forschern der Princeton University und der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) gelungen. Anfang September berichteten sie in der Fachzeitschrift „Joule“ über ihre Ergebnisse – einschließlich eines Wirkungsgrads, der höher ist, als ihn beide Zellen allein erreichen können:

„Tandem-Solarzellen haben bereits einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung gezeigt als Silizium- oder Perowskit-Solarzellen allein“, sagte Barry Rand, Forschungsleiter und Princeton-Professor für Elektro- und Computertechnik. „Wir dachten, dass [sie] einige der Stabilitätsprobleme von Perowskiten lösen könnten, indem sie mit Siliziumzellen verbunden werden, die viel stabiler sind.“

Solarzellen sind so stark wie ihr stärkstes Glied

Um ihre Hypothese zu testen, bauten die Forscher drei Reihen von Solarzellen: eine mit reinen Silizium-Solarzellen, eine mit reinen Perowskiten und eine, die aus Tandem-Solarzellen bestand, wobei die beiden Technologien in Reihe geschaltet waren. Anschließend beschatteten die Forscher eine der Zellen in den Strängen, um die Bedingungen einer Teilbeschattung zu simulieren, die bei einer Solaranlage während ihrer jahrzehntelangen Lebensdauer mindestens einmal auftreten können.

Eine solche Teilbeschattung bedeutet normalerweise den Untergang für Perowskite. Da die noch beleuchteten Zellen die Ladung dazu zwingen, durch die nun abgeschattete und inaktive Zelle zu fließen, kann das ganze Modul schnell geschädigt werden.

Wie erwartet, verschlechterte sich die Leistung des Perowskit-Solarmoduls nach einer Teilbeschattung schnell, während das Silizium-Solarmodul nur geringfügig beeinträchtigt wurde. Interessanterweise war das Tandem-Solarmodul aus Silizium und Perowskit jedoch genauso widerstandsfähig wie das reine Siliziummodul. Das deute darauf hin, dass die Siliziumzelle die Anfälligkeit des Perowskits überdecken konnte, so die Forscher.

„Wenn man zwei verschiedene Materialien zu einem Endprodukt kombiniert, ist es normalerweise das schwächste Glied, das die Gesamtstärke der Kette bestimmt“, sagte Stefaan De Wolf, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der KAUST. „In diesem Fall ist es jedoch die stärkere Komponente, die die schwächere schützt.“

Ein vernachlässigbares Problem – neben anderen

Wie die Forscher weiter erklären, ist die Teilbeschattung – bisher ein großes Hindernis für reine Perowskit-Module – damit zu einem „vernachlässigbaren Problem“ für in Reihe geschaltete Tandem-Solaranlagen geworden.

Aufbauend darauf ist das Team zuversichtlich, dass die Ergebnisse gute Aussichten für die Kommerzialisierung von Zellen auf Basis von Calcium-Titan-Oxid bieten. Einerseits gibt es für Siliziumzellen bereits ein ausgereiftes Produktionssystem, andererseits haben Perowskite ein hohes Potenzial in Verbindung mit diesen. Anstatt ein konkurrierendes Herstellungsverfahren zu entwickeln, könnten sie dem kommerziell bewährten Produktionsverfahren für Silizium-Solarzellen hinzugefügt werden.

Das Team wies allerdings darauf hin, dass neben der Teilbeschattung noch einige andere Probleme zu lösen sind, bevor die Tandem-Solarzellen die von kommerziellen Solartechnologien erwartete Lebensdauer erreichen, beispielsweise ihre geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze.

„Wenn einige andere Stabilitätsprobleme gelöst werden können, könnten Tandem-Solarzellen im Grunde eine bereits erfolgreiche kommerzielle Technologie noch besser machen“, so Rand. „Unsere Ergebnisse sind ein starkes Argument dafür, dass Tandem-Bauelemente ein wichtiger Bereich für die zukünftige Solarforschung sein sollten“.