Weltrekord: Deutsche Forscher entwickeln Solarzelle mit 29 Prozent Wirkungsgrad

Während Silizium vor allem die roten Anteile des Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt, nutzen Perowskitverbindungen vor allem die blauen Anteile des Spektrums. Mit einer Tandem-Solarzelle aus gestapeltem Silizium und Perowskit erreichten Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) einen deutlich höheren Wirkungsgrad von 29,15 Prozent, als jede einzelne Zelle für sich. Der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen schwankt je nach angewendeter Technologie zwischen 10 und 20 Prozent.

Prof. Bernd Stannowski vom HZB-Institut PVcomB und Prof. Steve Albrecht, haben bereits mehrfach gemeinsam neue Rekorde für monolithische Tandemsolarzellen aufgestellt. Ende 2018 stellte das Team eine Tandemsolarzelle aus Silizium mit einem Metallhalogenid-Perowskit vor, die einen Wirkungsgrad von 25,5 Prozent erreichte. Dann gab Oxford Photovoltaics Ltd. einen Wert von 28 Prozent bekannt.

Nun kann das HZB-Team den nächsten Rekord vermelden. Der Wert von 29,15 Prozent wurde am Freitag, 24. Januar, vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert und erscheint nun in den Charts des National Renewable Energy Lab (NREL), USA.

Das NREL-Diagramm verfolgt die steigenden Wirkungsgrade für fast alle Arten von Solarzellen seit 1976. Perowskit-Verbindungen sind erst seit 2013 enthalten – und die Effizienz dieser Materialklasse hat sich seitdem mehr als bei jedem anderen Material erhöht.

Perowskit ist ein organisch-anorganisches Material, das eine der größten Überraschungen in der Solarzellenforschung ist: In nur sechs Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verfünffacht, darüber hinaus können Perowskit-Schichten aus Lösung hergestellt und in Zukunft kostengünstig auf großer Fläche gedruckt werden.

30 Prozent Wirkungsgrad in greifbarer Nähe

„Wir haben in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Vytautas Getautis (Technische Universität Kaunas) eine spezielle Elektrodenkontaktschicht für diese Zelle entwickelt und auch die Zwischenschichten verbessert“, erklären Eike Köhnen und Amran Al-Ashouri, Doktoranden in Albrechts Gruppe.

Durch die neue Elektrodenkontaktschicht konnte auch die Zusammensetzung der Perowskit-Verbindung im Labor des HZB verbessert werden. Diese Verbindung ist nun stabiler, wenn sie in der Tandem-Solarzelle beleuchtet wird, und verbessert das Gleichgewicht der elektrischen Ströme, die von der oberen und unteren Zelle eingebracht werden. Die Silizium-Bodenzelle stammt aus Stannowskis Gruppe und verfügt über eine spezielle Siliziumoxid-Deckschicht, die die Ober- und Bodenzelle optischen koppelt.

Alle Verfahren zur Realisierung dieser Ein-Quadratzentimeter-Zelle sind prinzipiell auch für große Flächen geeignet. Ein Skalierungsversuch mithilfe von Vakuum-Beschichtungsverfahren ist sehr vielversprechend, wie erste Tests bereits gezeigt haben.

Die realistische praktische Wirkungsgradgrenze für Tandemzellen aus Silizium und Perowskit liegt bei etwa 35 Prozent. Als Nächstes will das HZB-Team die 30-Prozent-Effizienzgrenze durchbrechen. Erste Ideen dazu werden bereits diskutiert, erklärt Albrecht.

Albrechts Team hat in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen des HZB bereits mehrere Weltrekorde für Tandemsolarzellen aus Perowskit in Kombination mit anorganischen Halbleitern aufgestellt. Im September 2019 stellten sie eine Tandemsolarzelle aus CIGS und Perowskit vor, die einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26 Prozent erreicht. Diese Zelle ist der aktuelle Weltrekordhalter für diese Materialkombination. Außerdem entwickelten sie 2019 mit einem PV-Industriepartner eine industrierelevante Perowskit/PERC-Solarzelle.