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Sonntag, 04.12.2016
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Rekord-Wirkungsgrad mit Tandem-Solarzelle

Kombination aus Silizium- und Perovskit-Zellen erzielt hohe Effizienz

Neuer Solar-Rekord: Einen Höchstwert beim Wirkungsgrad von Solarzellen haben Forscher mit einer kombinierten Solarzelle aus Silizium und dem vielversprechenden Material Perovskit erzielt. Solche Tandemzellen waren bislang schwierig zu produzieren, doch dank eines neuen Verfahrens gelingt die Herstellung großer Zellen in einem Stück. Den damit erzielten Wirkungsgrad von 18 Prozent wollen die Forscher noch weiter steigern – bis zu 30 Prozent könnten möglich sein.
Unten Silizium, darüber Perovskit: Die Elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt den Schichtaufbau der erfolgreichen Tandemzelle.

Unten Silizium, darüber Perovskit: Die Elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt den Schichtaufbau der erfolgreichen Tandemzelle.

Solarzellen sind eines der wichtigen Standbeine der erneuerbaren Energien: Aus dem Licht der Sonne machen sie Strom, ganz ohne Emissionen von Treibhausgasen. Mit dem Strom erzeugter Wasserstoff soll langfristig als Speicher für die gewonnene Energie dienen. Eine Schwäche von Solarzellen ist jedoch bislang ihr recht niedriger Wirkungsgrad: Sie setzen nur einen vergleichsweise geringen Teil der Energie im einfallenden Sonnenlicht tatsächlich in Strom um.

Schwierige Kombination erfordert Schutzschichten


Hoffnung brachte das organisch-anorganische Material Perovskit: Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen hat sich in nur sechs Jahren verfünffacht. Außerdem lassen sich Perowskit-Schichten aus Lösungen herstellen und in Zukunft kostengünstig auch auf großer Fläche drucken. Perovskit-Schichten nutzen das Licht im blauen Spektrum sehr effizient, während die gebräuchlichen Siliziumzellen vor allem langwelliges rotes und infrarotes Licht umwandeln. Daher ist es verlockend, beide Materialien zu kombinieren und so die Ausbeute noch weiter zu erhöhen.

Doch solche Tandemzellen in einem Stück herzustellen ist schwierig: Die Perovskitschichten werden typsicherweise auf zuvor gesintertes Titandioxid aufgetragen, was Temperaturen von knapp 500 Grad Celsius erfordert. Doch solche Temperaturen vertragen die glasartigen, amorphen Siliziumschichten nicht, die bei sogenannten Hetero-Siliziumzellen eine kristalline Schicht Silizium bedecken.


Spannung reicht für Wasserstoffproduktion


Forscher um Steve Albrecht vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben dieses Problem gelöst: Sie haben auf eine Hetero-Siliziumzelle zunächst in einem schonenden Verfahren bei niedrigen Temperaturen eine Lage aus Zinndioxid aufgetragen. Diese diente dann als Grundlage für eine dünne Perovskit-Schicht. Eine weitere transparente Schutzschicht hielt die sensible Perovskit-Lage und den darauf aufgetragenen Lochleiter intakt, während die Forscher den sogenannten Topkontakt auf die Zelle aufbrachten und so eine fertige Tandemzelle herstellten.

Die Basis der Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle. Darauf folgt eine Trennschicht aus transparentem Zinndioxid und darüber eine Schicht Perovskit.

Die Basis der Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle. Darauf folgt eine Trennschicht aus transparentem Zinndioxid und darüber eine Schicht Perovskit.

Diese Tandemzelle erreichte einen Rekord-Wirkungsgrad von 18 Prozent. Das ist der höchste bislang erreichte Wert mit einem solchen Aufbau und liegt rund ein Fünftel über dem Wirkungsgrad, den die einzelnen Zellen erreichen können. Außerdem liegt die sogenannte Leerlaufspannung der Zelle bei 1,78 Volt. "Damit wäre diese Materialkombination sogar auch für die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht interessant", sagt Erstautor Albrecht. Um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten ist eine Spannung von 1,7 Volt nötig. Mit Siliziumzellen lässt sich dieser Wert nur bei Kombination mehrerer Zellen erreichen.

Wirkungsgrad bis zu 30 Prozent möglich


Trotz dieses Fortschritts sehen die Forscher noch Raum für Verbesserungen: "Der gemessene Wirkungsgrad ist mit 18 Prozent zwar schon sehr gut, aber aktuell geht noch Licht an den Oberflächen verloren", erklärt Albrecht. Ideen, wie sich das beheben ließe, hat der Wissenschaftler bereits: Strukturierte Folien auf der Vorderseite der Zelle könnten Licht einfangen und in die Zelle einkoppeln, was den Wirkungsgrad weiter steigern würde. Auch die zugrundeliegende Silizium-Heterosolarzelle könnte sich durch ähnliche Lichteinfangstrukturen verbessern lassen. Insgesamt könnte der Wirkungsgrad der Tandem-Zelle auf 25 bis sogar 30 Prozent steigen.

Fast noch wichtiger als maximale Wirkungsgrade aber finden die Forscher die Integration in bestehende Technologien: "Aktuell beherrscht die Silizium-Technologie 90 Prozent des Marktes, das heißt, es gibt viele etablierte Produktionsanlagen für Siliziumzellen", sagt Studienleiter Bernd Rech vom HZB. "Die Perowskit-Schichten könnten den Wirkungsgrad erheblich steigern. Dafür müssten die Produktionsverfahren nur um wenige Schritte erweitert werden." (Energy & Environmental Science, 2015; doi: 10.1039/C5EE02965A)
(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, 29.10.2015 - AKR)
 
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