Wieder Weltrekord am HZB: Tandemsolarzelle schafft 32,5 Prozent Wirkungsgrad
Foto der Perowskit/Silizium-Tandemsolarzelle. Zu sehen ist die aktive bläuliche Fläche in der Mitte des Wafers, die von der metallischen, silbrigen Elektrode eingeschlossen wird. © Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB
Die Illustration zeigt schematisch den Aufbau der Tandemsolarzelle mit einer Unterzelle aus Silizium und einer Topzelle aus Perowskit. Während die Topzelle blaue Lichtanteile verwerten kann, wandelt die Unterzelle die roten und nahinfraroten Anteile des Spektrums um. Verschiedene Dünnschichten tragen dazu bei, das Licht optimal zu verwerten und elektrische Verluste zu minimieren. © Eike Köhnen/HZB
Unter den neu aufkommenden Technologien sind die Silizium/Perowskit-Tandemzellen absolute Spitze. Der jüngste Weltrekord durch das HZB-Team ist ein großer Schritt voran.
© NREL
Der aktuelle Weltrekord von Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle liegt wieder beim HZB. Die neue Tandemsolarzelle wandelt 32,5% der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie um. Das Zertifizier-Institut European Solar Test Installation (ESTI) in Italien hat die Tandemzelle vermessen und diesen Wert offiziell bestätigt. Außerdem wurde der Wert in die NREL-Übersicht zu Solarzelltechnologien eingetragen, die vom National Renewable Energy Lab, USA, gepflegt wird.
Das HZB konnte die Effizienz von Perowskit/Silizium- Tandemsolarzellen erneut deutlich steigern. „Dies ist ein wirklich großer Sprung nach vorne, den wir vor einigen Monaten noch nicht vorhergesehen haben. Alle beteiligten Teams am HZB, speziell die Teams aus dem PV-Kompetenzzentrum (PVcomB) und dem HySPRINT Innovation Lab, haben hier hervorragend und mit großer Hingabe zusammengearbeitet“, sagt Prof. Steve Albrecht.
Modifikationen von Grenz- und Oberflächen
Sein Team nutzte eine verbesserte Perowskit-Verbindung und eine raffinierte Modifikation der Oberfläche. Die Postdocs Dr. Silvia Mariotti und Dr. Eike Köhnen, beides geteilte Erstautoren der Studie, haben eine Grenzflächenmodifikation entwickelt, bei der die Verluste der Ladungsrekombination weitgehend unterdrückt sind. Weiterhin haben sie spezielle analytische Messmethoden angewendet, um die grundlegenden Prozesse besser zu verstehen. Diese Entwicklungen wurden anschließend erfolgreich in Tandemsolarzellen übertragen und durch Masterstudentin Lea Zimmermann mit weiteren optischen Verbesserungen kombiniert.
Der Erfolg war nur durch weitere technische und wissenschtliche Expert*innen möglich, die an der Herstellung und Entwicklung der Tandemzellen beteiligt waren. Durch die Kombination aller Modifikationen wurden Höchstwerte für die Photospannung (Leerlaufspannung) und der neue Rekordwert der Effizienz für diese faszinierende Tandemtechnologie erzielt.
Rasante Fortschritte
In den letzten Jahren gab es eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgradwerte durch verschiedene Forschungseinrichtungen und Photovoltaik-Firmen weltweit. Speziell die letzten Monate waren dabei sehr aufregend: Verschiedene Teams vom HZB konnten Ende 2021 einen Rekordwert von knapp unter 30% (29,8%) erzielen. Sie hatten dafür spezielle, periodische Nanotexturen in die Solarzellen eingebracht. Im Sommer dieses Jahres konnte dann die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz, diesen Wert nochmals deutlich übertreffen und als erster weltweit die 30% Barriere, durch eine zertifizierte Tandemzelle mit 31,3% Effizienz, knacken.
Nun liegt der Höchstwert mit 32,5% jedoch wieder am HZB. „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“, sagt Albrecht.
Der wissenschaftliche Geschäftsführer des HZB, Prof. Bernd Rech, betont: "Mit 32,5 Prozent ist der Solarzellenwirkungsgrad der HZB-Tandems jetzt in Bereichen, die bisher nur von teuren III/V Halbleitern erreicht wurden. In den NREL-Chart ist grafisch deutlich zu erkennen, wie spektakulär gerade die letzten beiden Steigerungen von EPFL und HZB sind."
- 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.