Maximale Effizienz, minimaler Einsatz
Die a-Si:H-Unterzellen werden auf dem transparenten Frontkontakt (AZO) abgeschieden, als Rückkontakt dient eine ITO-Schicht. Die organische Sub-Zelle besitzt einen Frontkontakt aus leitfähigem PEDOT und einen metallischen Rückkontakt. © Uni Potsdam
Dünnschichtsolarzelle auf Siliziumbasis nutzt mit organischer Zusatzschicht auch infrarotes Licht
Die neue hybride Solarzelle ist aus zwei extrem dünnen amorphen Siliziumschichten sowie einer organischen Schicht aufgebaut, zusammen sind ihre aktiven Schichten nicht dicker als einen Mikrometer. Trotz minimalem Materialeinsatz erreicht die Hybridzelle damit einen Rekord-Wirkungsgrad von 11,7 %. Die organische Schicht besteht aus so genannten „Fußballmolekülen“ oder Fullerenen, die mit halbleitenden Polymeren gemischt sind. Diese Schicht wandelt auch noch das Infrarotlicht in elektrische Energie um, das in den Siliziumschichten nicht genutzt werden kann.
Die komplementäre Verbindung organischer und anorganischer Materialien in einer Stapelzelle ist eine vielversprechende Option für Solarzellen der Zukunft. Die Zelle wurde im Rahmen des BMBF-Programms „Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern“ gemeinsam von Teams der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) entwickelt, die ihre Arbeit nun im renommierten Fachmagazin „Advanced Materials“ publiziert haben.
Grundbaustein der Zelle ist eine sehr dünne Schicht aus amorphem Silizium, die mit Wasserstoff durchsetzt ist (a-Si:H). Solche einfachen Dünnschicht-Solarzellen erreichen nur geringe Wirkungsgrade und nutzen lediglich Photonen im blauen und grünen Bereich des Lichtspektrums.
Steffen Roland, Doktorand aus der Gruppe von Professor Dr. Dieter Neher an der Universität Potsdam, und Sebastian Neubert, Doktorand aus der Gruppe von Professor Dr. Rutger Schlatmann vom Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik (PVcomB) des HZB, haben diese Schicht zunächst um eine weitere a-Si:H-Schicht zu einer Tandemzelle erweitert und zusätzlich eine organische Schicht aufgebracht, die es ermöglicht, auch infrarotes Licht in elektrische Energie umzuwandeln. So konnten sie den Wirkungsgrad der Triplezelle auf über 11 % steigern. Gleichzeitig ist diese Solarzellenarchitektur deutlich beständiger gegenüber Alterungseffekten. Dieser Erfolg zeigt eindrucksvoll, wie die enge Zusammenarbeit von Doktoranden aus unterschiedlichen Fachrichtungen (organische Halbleiter und anorganische Halbleiter) zu neuen Devicestrukturen mit verbesserten Eigenschaften führt.
„Die Zelle lässt sich einfach mit etablierten Dünnschichttechnologien herstellen, die industriegängig und auch für die Produktion von großen Folien geeignet sind“, erklärt Rutger Schlatmann. Und Dieter Neher fügt an: „Die hohen Absorptionskoeffizienten der a-Si:H-Schichten und die Eigenschaften der organischen Schicht ermöglichen eine aktive Schichtstruktur, die nicht dicker als einen Mikrometer ist, das ist maximale Effizienz mit minimalem Einsatz!“.
Article first published online 7 January 2015 in Advanced Materials: Hybrid Organic/Inorganic Thin-Film Multijunction Solar Cells Exceeding 11% Power Conversion Efficiency
DOI: 10.1002/adma.201404698
- Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) eröffnetAm 17. Juni 2024 ist in Jena das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) im Beisein von Wolfgang Tiefensee, Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft des Freistaates Thüringen, feierlich eröffnet worden. Das Institut wurde vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) in Kooperation mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena gegründet: Es widmet sich der Entwicklung nachhaltiger Polymermaterialien für Energietechnologien. Diese sollen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen und Deutschlands Ziel unterstützen, bis 2045 klimaneutral zu werden.
- „Forschung und Entwicklung ist auch in Kriegszeiten entscheidend!“Am 11. und 12. Juni fand die Ukraine Recovery Conference in Berlin statt. Begleitend diskutierten Vertreter*innen von Helmholtz, Fraunhofer und Leibniz, wie Forschung zu einem nachhaltigen Wiederaufbau der Ukraine beitragen kann. In diesem Interview spricht Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer am HZB, über die Bedeutung von Forschung während des Krieges und Projekten wie Green Deal Ukraina.
- MXene als Energiespeicher: Chemische Bildgebung blickt nun tieferEine neue Methode in der Spektromikroskopie verbessert die Untersuchung chemischer Reaktionen auf der Nanoskala, sowohl auf Oberflächen als auch im Inneren von Schichtmaterialien. Die Raster-Röntgenmikroskopie (SXM) an der MAXYMUS-Beamline von BESSY II ermöglicht den hochsensitiven Nachweis von chemischen Gruppen, die an der obersten Schicht (Oberfläche) adsorbiert oder in der MXene-Elektrode (Volumen) eingelagert sind. Die Methode wurde von einem HZB-Team unter der Leitung von Dr. Tristan Petit entwickelt. Das Team demonstrierte die Methode nun an MXene-Flocken, einem Material, das als Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt wird.