Standard-Silizium-Solarzellen erstmals mit Perowskit zu Tandem kombiniert
Auf einer Standard-Silizium-Zelle hat das HZB-Team eine Perowskit-Topzelle aufgebracht. Diese Tandem-Solarzelle könnte mit weiteren Optimierungen hohe Wirkungsgrade erreichen. © Silvia Mariotti / HZB
Das Schema illustriert einen Querschnitt durch eine Perowskit-POLO-PERC-Tandem-Solarzelle. © HZB
Im HySPRINT-Labor am HZB werden Perowskit-Materialien für Solarzellen stetig weiter optimiert. © Michael Setzpfand/HZB
Die Massenfertigung von Silizium-Solarzellen nutzt so genannte PERC-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom HZB und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) gezeigt, dass solche Standard-Silizium-Zellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskit-Topzellen geeignet sind. Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandemzelle zwar noch unterhalb dem von optimierten PERC-Zellen allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 % gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Tandemzellen aus Silizium und Perowskit sind in der Lage, das breite Energiespektrum des Sonnenlichts effizienter in elektrische Energie umzuwandeln als die jeweiligen Einzel-Zellen. Nun ist es zwei Teams vom HZB und dem ISFH Hameln erstmals gelungen, eine Perowskit-Topzelle mit einer so genannten PERC/POLO-Silizium-Zelle zu einem Tandem-Bauelement zu kombinieren. Das Besondere: PERC-Silizium-Zellen auf p-typ Silizium sind das „Arbeitspferd“ der Photovoltaik, mit einem Marktanteil von mehr als 50 % aller weltweit produzierten Solarzellen. Sie sind weitgehend optimiert, temperatur- und langzeitstabil. Deshalb ist es für die Kommerzialisierung einer Perowskit-Silizium Tandem-Technologie besonders interessant, ein „Perowskit-Tandem-Upgrade“ für PERC-Zellen zu entwickeln. Die Kooperation fand im Rahmen des Verbundprojekts P3T statt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert und vom HZB koordiniert wird.
Das Team am ISFH hat für den Rückseiten-Kontakt der Silizium-Bottomzellen einen industriekompatiblen PERC-Prozess genutzt. Auf der Vorderseite des Wafers kam mit dem sogenannten POLO Kontakt eine weitere industrialisierbare Technologie zum Einsatz, die hier für die kleinflächigen proof of concept-Zellen angepasst wurde.
Die weiteren Prozess-Schritte fanden am HZB statt: Eine zinndotierte Indiumoxid-Rekombinationsschicht wurde als Kontakt zwischen den beiden Teilzellen aufgebracht. Darauf wurde eine Perowskit-Zelle mit einer Schichtfolge prozessiert, die der in der aktuellen HZB-Weltrekord-Tandem-Zelle auf n-typ Silizium-Heterojunction-Zellen ähnelt. Die ersten so produzierten Perowskit-PERC/POLO Tandemzellen erreichen auf einer aktiven Zell-Fläche von ca. 1 cm² einen Wirkungsgrad von 21,3 %. Dieser Wirkungsgrad liegt in dieser Machbarkeitsstudie also noch unterhalb des Wirkungsgrads von optimierten PERC-Zellen. „Erste experimentelle Ergebnisse und optische Simulationen deuten aber darauf hin, dass wir die Leistung durch Prozess- und Schichtoptimierung erheblich verbessern können“, erklärt Dr. Lars Korte, der korrespondierende Autor der Studie.
Potenzieller Wirkungsgrad: 29,5 %
Die Expert*innen schätzen das Potenzial für den Wirkungsgrad (Fachbegriff PCE für Power Conversion Efficiency) dieser Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit PERC-ähnlicher Unterzellentechnologie auf 29,5 %. Erste Schritte zur weiteren Steigerung sind bereits im Blick: Dr. Silvia Mariotti aus dem HZB Team hatte die Bedeckung der Silizium-Oberfläche durch den Perowskiten als Verbesserungspotential identifiziert: „Man könnte dazu die Oberfläche der Silizium Wafer anpassen und so rasch die Effizienz auf ca. 25% steigern“, sagt Mariotti. Das liegt dann bereits deutlich über der Effizienz von PERC-Einzel-Zellen.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II haben nun ein Team von Wissenschaftlern mehrerer chinesischer Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.