Monolithische Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit mit Rekord-Wirkungsgrad

Erstmals ist es Teams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, gelungen, eine Silizium-Hetero-Solarzelle mit einer Perowskit-Solarzelle monolithisch - in einem Block - zu kombinieren. Die hybride Tandemzelle erreichte einen Wirkungsgrad von 18 Prozent. Das ist derzeit der höchste publizierte Wert für einen solchen Aufbau. Perspektivisch könnten sogar Wirkungsgrade von bis zu 30 Prozent möglich sein.

Das organisch-anorganische Material Perowskit ist eine der größten Überraschungen in der Solarzellenforschung: In nur sechs Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verfünffacht, darüber hinaus können Perowskit-Schichten aus Lösung hergestellt und in Zukunft kostengünstig auf großer Fläche gedruckt werden.

Interessant aber schwer zu kombinieren: Perowskit mit Silizium

Weil Perowskit-Schichten das Licht im blauen Spektrum sehr effizient nutzen, ist es interessant, sie mit Silizium-Schichten zu kombinieren, die vor allem das langwellige, rote und nahinfrarote Licht umwandeln. Doch praktisch ist der Bau solcher monolithischer Tandemzellen aus einer Abfolge von aufeinander abgeschiedenen Schichten schwierig: Denn um hohe Effizienzen zu erhalten, werden die Perowskite üblicherweise auf Titandioxidschichten aufgeschleudert, die zuvor bei knapp 500 Grad Celsius gesintert werden müssen. Solche Temperaturen vertragen jedoch die amorphen Siliziumschichten nicht, die bei Hetero-Siliziumzellen den kristallinen Siliziumwafer bedecken.

Neue funktionale Schichten machen es möglich

Nun hat ein Team um Prof. Dr. Bernd Rech und Dr. Lars Korte vom HZB-Institut für Siliziumphotovoltaik in Zusammenarbeit mit dem PVcomB und einer Gruppe um Prof. Dr.  Michael Graetzel von der Éole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) erstmals eine solche monolithische Tandemzelle hergestellt: Es gelang, auf der Hetero-Siliziumzelle mit einem schonenden Verfahren eine Zinndioxid-Lage bei kleinen Temperaturen abzuscheiden; auf diese Unterlage konnte dann eine dünne Perowskit-Schicht aufgeschleudert und mit einem Lochleitermaterial bedeckt werden.

Ein weiteres Schlüsselelement dieser Zellarchitektur ist der transparente Topkontakt: Die dafür notwendigen Metalloxide werden durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) abgeschieden und würden unter üblichen Bedingungen die sensible Perowskit-Schicht sowie den Lochleiter zerstören. Hier hat das Team vom HZB das Verfahren modifiziert und eine transparente Schutzschicht eingebaut.

Wirkungsgrad 18 Prozent und hohe Leerlaufspannung

Diese Tandemzelle erreichte mit 18 Prozent einen Wirkungsgrad, der knapp 20 Prozent höher als die Wirkungsgrade der einzelnen Zellen ist. Die Leerlauf-Spannung beträgt 1,78 Volt. „Damit wäre diese Materialkombination sogar auch für die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht interessant“, sagt Dr. Steve Albrecht, Erstautor der Arbeit, die nun im renommierten Journal Energy & Environmental Science erschienen ist.

Bis zu 30 Prozent Wirkungsgrad durch verbesserten Lichteinfang erreichbar

Steve Albrecht, Post-Doc bei Bernd Rech, hat das Probendesign der Tandemzelle entwickelt und die Kooperation mit der EPFL koordiniert. „Der gemessene Wirkungsgrad ist mit 18 Prozent zwar schon sehr gut, aber aktuell geht noch Licht an den Oberflächen verloren“, erklärt er und plant weitere Verbesserungen. So könnten strukturierte Folien auf der Vorderseite Licht einfangen und in die Zelle einkoppeln, was den Wirkungsgrad weiter steigern würde. Auch die Silizium-Heterosolarzelle, die hier die Bottom-Zelle und gleichzeitig das Substrat für die Perowskit-Topzelle bildet, bietet noch Potenzial für Verbesserungen. „Diese Zelle wird für das Perowskit-Silizium-Tandem im Moment noch auf einem glatten Silizium-Wafer hergestellt. Durch eine Strukturierung des Wafers mit Lichteinfangstrukturen, z.B. Zufallspyramiden, könnte die Effizienz bis auf 25 oder sogar 30 Prozent gesteigert werden“, sagt Dr. Lars Korte, Leiter der Arbeitsgruppe Silizium-Hetero-Kontaktsysteme am Institut für Siliziumphotovoltaik.

Integration in bestehende industrielle Produktionsverfahren

Fast noch wichtiger als maximale Wirkungsgrade aber ist die Integration in bestehende Technologien: „Aktuell beherrscht die Silizium-Technologie 90 Prozent des Marktes, das heißt, es gibt viele etablierte Produktionsanlagen für Siliziumzellen“, sagt Prof. Dr. Bernd Rech. „Die Perowskit-Schichten könnten den Wirkungsgrad erheblich steigern. Dafür müssten die Produktionsverfahren nur um wenige Schritte erweitert werden. Deshalb ist unsere Arbeit auch für die Industrie extrem interessant. Allerdings müssen die Probleme der Langzeitstabilität und des Bleigehalts von Perowskit Solarzellen durch künftige Forschung gelöst werden!“

Monolithic Perovskite/Silicon-Heterojunction Tandem Solar Cells Processed at Low Temperature
Steve Albrecht,   Michael Saliba,   Juan Pablo Correa Baena,   Felix Lang,   Lukas Kegelmann,   Mathias Mews,   Ludmilla Steier,   Antonio Abate,   Joerg Rappich,   Lars Korte,   Rutger Schlatmann,   Nazeeruddin, Mohammad K.,   Anders Hagfeldt,   Michael Grätzel and   Bernd Rech  
Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/C5EE02965A