22. Juli 2022
EPFL und CSEM durchbrechen die Schallmauer von 30% beim Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen und stellen zwei bestätigte Weltrekorde auf.
Erstmals gelang es, bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen einen Wirkungsgrad von über 30% zu erreichen. Dies ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Photovoltaiklabor der EPFL mit dem renommierten Innovationszentrum CSEM. Die Werte wurden vom unabhängigen National Renewable Energy Laboratory in den USA zertifiziert. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Gebiet hocheffizienter Photovoltaik und ebnet den Weg für eine noch wettbewerbsfähigere Erzeugung von Sonnenenergie.
Die Steigerung der Energieumwandlungseffizienz von Solarzellen ist aus zwei Gründen wichtig: Langfristig ist dies die effektivste Methode zur Senkung der Stromentstehungskosten. Kurzfristig ist es die beste Möglichkeit zur Förderung von Photovoltaikanwendungen für kleine Flächen wie Dächer, Fassaden, Fahrzeuge oder auch Drohnen. Grundsätzlich sind alle Solarzellen durch die Eigenschaften der verwendeten Materialien limitiert, was wiederum den möglichen Wirkungsgrad begrenzt. Am weitesten verbreitet sind heute Solartechnologien mit Silizium, ein Material, das trotz seines Erfolges theoretisch einen maximalen Wirkungsgrad von rund 29% hat. Übliche Wirkungsgrade dieser Technologie liegen knapp unter 27%, womit nur eine sehr kleine Spanne für künftige Effizienzsteigerungen bleibt.
Im Wettstreit um immer höhere Wirkungsgrade haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Siliziumzelle eine oder mehrere Solarzellen hinzugefügt und Tandem-Solarzellen entwickelt. Das energieintensivere sichtbare Licht der Sonne wird von der oberen Zelle aufgenommen, während das energieärmere Infrarotlicht von der Siliziumzelle auf der Rückseite des Tandems absorbiert wird. Halogenidperowskite haben sich als ideale Ergänzung für Silizium herausgestellt, weil sie sichtbares Licht effizienter in elektrische Energie umwandeln können als Silizium alleine, und dies ohne übermässige Steigerung der Produktionskosten.
Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Neuchâtel ist es gelungen, den Wirkungsgrad von zwei verschiedenen Perowskit-Silizium-Tandems zu steigern. Im ersten Verfahren passten sie die Materialien und Herstellungstechniken so an, dass sich Perowskit-Schichten in hoher Qualität aus einer Lösung auf einer planarisierten Siliziumoberfläche anlagern können, womit bei einer Solarzelle von 1 cm² eine Energieausbeute von 30,93% erreicht wird. Im zweiten Verfahren arbeiteten sie an einer neuen Version, einer so genannten hybriden Technik, die Verdampfungs- und Lösungsmittelverfahren kombiniert und auch auf texturierten Siliziumoberflächen funktioniert, und entwickelten so eine Solarzelle, deren Energieausbeute 31,25% beträgt (wieder auf 1 cm²). Mit diesen Ergebnissen wurden zwei neue Weltrekorde aufgestellt: eine für glatte und eine für texturierte Solarzellenarchitektur. Der zweite Ansatz liefert mehr Strom und ist mit der Struktur gängiger industrieller Siliziumsolarzellen kompatibel. Diese neuen Rekorde wurden durch das unabhängige National Renewable Energy Laboratory in den USA zertifiziert.