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Neuer Weltrekord für Tandem-Solarzelle

Kombiniertes Modul aus Silizium und Perowskit schafft 32,5 Prozent Wirkungsgrad

Tandem-Solarzelle
Diese neue Tandem-Solarzelle aus Perowskit und Silizium hat einen neuen Weltrekord im Wirkungsgrad erzielt. © Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/ HZB

Mehr Effizienz für die Photovoltaik: Ein deutsches Forschungsteam hat einen neuen Weltrekord für den Wirkungsgrad bei Tandem-Solarzellen erzielt. Ihre Kombination aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle wandelt 32,5 Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Erreicht wurde dieser Fortschritt durch spezielle Nanotexturen und Anpassungen der Grenzflächen. Der Rekord unterstreiche das große Potenzial solcher Tandem-Solarzellen, so das Team.

Die Photovoltaik gilt als wichtiges Standbein der Energiewende. Wie effizient die Umwandlung von Solarenergie in Strom ist, hängt allerdings vom Wirkungsgrad der eingesetzten Solarzellen ab – und von ihrer Machart. Bei gängigen Silizium-Solarmodulen liegt der Wirkungsgrad deutlich unter 30 Prozent, organischen Dünnschicht-Solarzellen erreichen maximal 22 Prozent. Doch der Wirkungsgrad lässt sich erhöhen, wenn man Zellen aus verschiedenen Halbleitern und mit unterschiedlichen Absorptionsspektren miteinander kombiniert wie beispielsweise bei Mehrfach-Solarzellen aus verschiedenen Gallium-Indium-Verbindungen.

Tandem-Solarzelle
Aufbau der Tandem-Solarzelle. Die Perowskitschichten absorbieren vor allem blaue, kurzwelligere Lichtanteile, die Silizium-Unterzelle vorwiegend die roten und nahinfraroten Anteile des Sonnenlichts. © Eike Köhnen/HZB

Halbleiter-Kombination nutzt Sonnenlicht besser

Ein ebenfalls vielversprechender Ansatz sind Tandem-Solarzellen aus einer Kombination von Silizium und Perowskit. Während Silizium vorwiegend langwelligere rote und infrarote Anteile der Sonnenstrahlung absorbiert, nutzen die Perovskit-Schichten das Licht im blauen Spektrum sehr effizient. Typischerweise werde solche Tandemzellen so aufgebaut, dass Silizium die Unterzelle bildet, während das Perowskit an der Oberseite liegt.

In den letzten Jahren gab es bei solchen Tandem-Solarzellen eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgrade: Lag der Rekord im Jahr 2015 noch bei 18 Prozent, erreichten Forschende am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) Ende 2021 erstmals einen Wirkungsgrad von knapp 30 Prozent. Sie hatten dafür spezielle, periodische Nanotexturen in die Solarzellen eingebracht. Im Sommer 2022 knackte dann ein Team der Polytechnischen Hochschule Lausanne (EPFL) erstmals den 30-Prozent-Wert.

Kombination mehrerer Modifikationen brachte den Rekord

Jetzt gibt es einen weiteren Rekord: Wissenschaftler am HZB haben eine Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit entwickelt, die 32,5 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandelt – Weltrekord. „Dies ist ein wirklich großer Sprung nach vorne, den wir vor einigen Monaten noch nicht vorhergesehen haben“, sagt Steve Albrecht vom HZB. Der neue Rekordwert wurde von der European Solar Test Installation (ESTI) in Italien vermessen und offiziell bestätigt. Er ist auch bereits in der globalen Übersicht zu Solarzelltechnologien des National Renewable Energy Laboratory in den USA eingetragen.

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Erzielt wurde der Fortschritt durch eine Kombination mehrerer Anpassungen. Dazu gehört eine verbesserte Perowskit-Verbindung und eine spezielle Modifikation der Solarzell-Oberfläche. Außerdem entwickelten die Forschenden eine Grenzflächenmodifikation, bei der Verluste durch eine Rekombination von Ladungen im Halbleiter besser unterdrückt werden. Durch die Kombination aller Modifikationen wurden Höchstwerte für die Leerlaufspannung und die Effizienz erzielt.

Großes Potenzial

„Mit 32,5 Prozent ist der Solarzellenwirkungsgrad der HZB-Tandems jetzt in Bereichen, die bisher nur von teuren III/V Halbleitern erreicht wurden“, erklärt Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB. Albrecht ergänzt: „Wir freuen uns sehr über den erneuten deutlichen Effizienzsprung. Dieser zeigt das hohe Potenzial der Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, in den nächsten Jahren zu einer nachhaltigen Energieversorgung und zur Zeitenwende beizutragen.“

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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