Ein internationales Forschungsteam von Photovoltaik-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftlern hat einen entscheidenden Schritt in Richtung Industrialisierung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen gemacht. Sie konnten beweisen, dass es möglich ist, die Perowskit-Oberzelle in Kombination mit den Silizium-Unterzellen zu passivieren. Diese Unterzellen haben eine pyramidenförmige Oberflächenstruktur und sind derzeit der Industriestandard für Solarzellen. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die Passivierung – anders als beim Silizium – die gesamte Perowskit-Schicht beeinflusst. Dies führt zu weiteren Effizienzsteigerungen.
Die PV-Forschenden der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE präsentierten ihre technologischen und wissenschaftlichen Innovationen zur Passivierung von Perowskit-Oberzellen im Journal Science.
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bestehen aus einer Perowskit-Oberzelle und einer Silizium-Unterzelle. Diese Zelltechnologie ist der nächste große technologische Fortschritt in der Photovoltaik, da Silizium-Solarzellen maximal 29,4 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln können. Dieses physikalische Limit hat die Photovoltaik-Industrie schon fast erreicht.
Für die großflächige Produktion dieser Tandemsolarzellen wäre es vorteilhaft, eine Standard-Siliziumsolarzelle für die Unterzelle zu verwenden, da deren Herstellungsprozesse bereits gut etabliert sind. Diese Solarzellen sind strukturiert, da dies ihre Oberfläche vergrößert und Effizienz steigert. Die Strukturierung erschwert allerdings das Aufragen der Perowskit-Oberzelle. Eine qualitativ hochwertige Oberflächen-Passivierung der Perowskit-Schicht auf der pyramidenförmigen Oberfläche des Siliziums war bisher noch nicht gelungen.
»Bislang wurde die effektive Passivierung auf volltexturierten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen noch nicht vollständig genutzt, wobei frühere Erfolge weitgehend auf Solarzellen mit flachen Oberflächen beschränkt waren. Aber wir haben jetzt eine ausgezeichnete Passivierung erreicht, indem wir 1,3-Diaminopropan-Dihydroiodid auf die unebene Perowskit-Oberfläche abgeschieden haben«, sagte Dr. Oussama Er-Raji, Hauptautor des Papers und Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. Die passivierten Tandemsolarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von bis zu 33,1 Prozent mit einer Leerlaufspannung von 2,01 Volt.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachteten auch, dass die Passivierung der Perowskit-Oberzelle die Leitfähigkeit und damit den Füllfaktor der Zelle verbesserte. Sie bewiesen, dass diese Verbesserung auf einen tiefergehenden Feldeffekt zurückzuführen ist, der aus der Passivierung resultiert. Bei Siliziumsolarzellen wirkt die Passivierung nur auf die oberen Schichten, während bei Perowskit-Solarzellen die Oberflächenbehandlung die gesamte Schicht beeinflusst und deren Effizienz steigert.
»Diese Erkenntnis bietet eine solide Grundlage für alle zukünftigen Forschungen in diesem Bereich«, sagte Prof. Stefaan De Wolf, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie angewandte Physik an der KAUST. »Es verbessert unser Verständnis der Prozesse, die in der Oberzelle stattfinden, während Licht in Elektrizität umgewandelt wird, und ermöglicht es Forschenden, dieses Wissen zu nutzen, um bessere Tandem-Solarzellen zu entwickeln.«
»Die Oberflächen-Passivierung von Solarzellen ist nicht nur ein nettes Zusatzfeature; sie ist ein wesentlicher Booster für deren Effizienz und Stabilität«, fügt Prof. Stefan Glunz, Professor für Photovoltaische Energiewandlung an der Universität Freiburg und Direktor der Photovoltaik-Abteilung am Fraunhofer ISE, hinzu. »Für die heutigen Siliziumsolarzellen war die Oberflächenpassivierung der Schlüssel zu hohen Wirkungsgraden in der industriellen Produktion, und es ist ermutigend, dass die PV-Industrie auch von diesen positiven Effekten für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen profitieren wird.«