Wissenschaftler entwickeln hocheffiziente Tandemsolarzellen in nur zehn Minuten

Ulrich Paetzold, PhD, Professor am KIT, betonte, dass die industrielle Fertigung nicht nur ängt, sondern auch davon, ob der Herstellungsprozess schnell, robust und skalierbar ist. „Wir konnten nachweisen, dass ein außergewöhnlich schneller Vakuumprozess nicht nur gleichmäßige Schichten erzeugt, sondern auch effiziente Perowskit-Silizium-Solarzellen liefert", erklärte er.

Eine neue Solar-Technologie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen stapeln eine Perowskit-Oberzellen über eine herkömmliche Silizium-Unterzelle. Da die beiden Schichten unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts absorbieren, können sie einen größeren Teil des Sonnenspektrums einfangen.

Folglich erzeugen sie mehr Strom als herkömmliche Solarzellen, die ausschließlich aus Silizium bestehen. Die Herstellung der Perowskitschicht, des aktiven Lichtsammlungskomponenten in diesen Solarzellen, bleibt jedoch eine große Herausforderung. Die industrielle Fertigung erfordert eine schnelle und gleichmäßige Schichtbildung über große Flächen.

Was die Studie zeigt

Um diese Herausforderung zu bewältigen, hat das gemeinsame Forschungsteam eine Technik namens Close-Space Sublimation (CSS) eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen schnellen, vakuumbasierten Prozess, bei dem Vorläufermaterialien verdampfen und nur wenige Millimeter zurücklegen, bevor sie auf der Siliziumzellensoberfläche abgeschieden werden.

Die Materialien reagieren daraufhin und bilden die Perowskitschicht. Sofia Chozas-Barrientos, Doktorandin an der Universität Valencia und Mitautorin der Studie, erklärte, dass das Team die CSS-Technik nutzte, um organische Vorläufermaterialien ohne Lösungsmittel schnell auf Silizium abzudeponieren.

Der Prozess verbraucht vergleichsweise wenig Ausgangsmaterial und ermöglicht die Wiederverwendung der Quellen, was ihn für die industriellen Großproduktion attraktiv macht. „Im Experiment wurde die Umsetzung nach abgeschlossen, ein wichtiger Fortschritt für einen vakuumbasierten Prozess", fügte Chozas-Barrientos hinzu.

Technik und Auswirkungen

Solarzellen in Minuten Für die Studie justierte das Team das Material der Solarzelle sorgfältig, um die korrekten Anteile des Sonnenlichts absorbieren zu können. Laut Berichten passten sie den Bromgehalt in der Perowskit-Schicht an, indem sie eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid einsetzten.

Alexander Diercks, PhD, ein KIT-Forscher, der sechs Monate an der Universität Valencia im Rahmen des Horizon-Europe-Projekts Nexus tätig war, betonte die Bedeutung dieser Leistung. „Durch die Einstellung des Verhältnisses dieser beiden Komponenten konnten wir den Bromgehalt im Endmaterial steuern und eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt erreichen", erklärte Diercks.

Der Prozess funktionierte für mehrere Silizium-Oberflächen-Designs bei Hochleistungssolarzellen. Die Wissenschaftler testeten den CSS-Prozess an Silizium-Unterelementen mit glatten, nanostrukturierten und mikrostrukturierten Oberflächen, ohne die Produktionsparameter zu ändern.

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Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalysen zeigten eine gleichmäßige Beschichtung.

Die mit diesem Ansatz hergestellten Tandemsolarzellen erreichten Wirkungsgrade von 23,5 Prozent bei glatten, 23,7 Prozent bei nanostrukturierten und 24,3 Prozent bei mikrostrukturierten Siliziumzellen. „Dies ist für die Skalierung ", fasste Henk Bolink, PhD, Professor an der Universität Valencia, in einer Pressemitteilung zusammen. „Die Tatsache, dass auch bei der Nahraum-Sublimation gleichmäßige Schichten auf strukturierten Siliziumzellen entstehen, macht diesen Ansatz für die praktische Anwendung hochrelevant." Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.