Tandemsolarzellen-Weltrekorde: Neuer Zweig im NREL-Chart

Die CIGS-Pero-Tandemzelle wurde in einer typischen Laborgröße von einem Quadratzentimeter realisiert.

Die CIGS-Pero-Tandemzelle wurde in einer typischen Laborgröße von einem Quadratzentimeter realisiert. © HZB

Die Pero-CIGS-Tandemzellen werden nun mit einem rot umrandeten Quadrat im NREL-Chart aufgeführt. Den Weltrekord hält aktuell das HZB mit 24,16 %.

Die Pero-CIGS-Tandemzellen werden nun mit einem rot umrandeten Quadrat im NREL-Chart aufgeführt. Den Weltrekord hält aktuell das HZB mit 24,16 %. © NREL

Eigens für eine Entwicklung aus dem HZB gibt es nun in der Grafik für Solarzellen-Weltrekorde einen neuen Zweig. Die neue Weltrekord-Zelle besteht aus den Halbleitern Perowskit und CIGS, die zu einer monolithischen „zwei-Terminal“-Tandemzelle verschaltet sind. Aufgrund der verwendeten Dünnschichttechnologien überleben solche Tandemzellen im Weltall deutlich länger und können sogar auf biegsamen Folien produziert werden. Die neue Tandemzelle erreicht einen zertifizierten Wirkungsgrad von 24,16 Prozent.

Tandemzellen bestehen in der Regel aus zwei unterschiedlichen Halbleitern, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums in elektrische Energie umwandeln. Dabei nutzen Metall-Halogenid Perowskit-Verbindungen vor allem die sichtbaren Anteile des Spektrums, während CIGS-Halbleiter mehr die infraroten Anteile umwandeln. CIGS steht für eine Verbindung aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. CIGS-Zellen können als Dünnschichtstapel von insgesamt nur 3 bis 4 Mikrometern Dicke abgeschieden werden, die Perowskitschichten sind mit 0,5 Mikrometern sogar noch viel dünner. Die neue Tandemsolarzelle aus CIGS und Perowskit besitzt damit eine Dicke von deutlich unter 5 Mikrometern, so dass biegsame Solarmodule denkbar sind.

Für Anwendungen im Weltraum geeignet

„Diese Kombination ist zudem extrem leicht und stabil gegen Bestrahlung, so dass sie für Anwendungen in der Satellitentechnik im Weltraum eignen könnte“, sagt Prof. Dr. Steve Albrecht, HZB. Ergebnisse dazu sind nun auch in der renommierten Fachzeitschrift JOULE publiziert.

Extrem dünn und effizient

„Wir haben die Unterzelle aus CIGS diesmal direkt mit der Oberzelle aus Perowskit verschaltet, so dass die Tandemzelle nur zwei elektrische Kontakte, sogenannte „Terminals“ besitzt, erklärt Dr. Christian Kaufmann vom PVcomB am HZB, der mit seinem Team die CIGS-Unterzelle entwickelt hat: „Speziell die Einbringung von Rubidium hat das CIGS Absorbermaterial deutlich verbessert“. Albrecht und sein Team haben die Perowskit-Schicht im HySPRINT-Lab am HZB direkt auf der rauen CIGS-Schicht abgeschieden.

Ein "Trick" bewährt sich

„Dabei haben wir einen Trick benutzt, den wir zuvor entwickelt haben“, erklärt der ehemalige Postdoc aus Albrechts Gruppe Dr. Marko Jošt, der nun an der Universität in Ljubjana, Slowenien, forscht. Sie brachten zunächst so genannte SAM-Moleküle auf die CIGS-Schicht, die sich selbstorganisiert dicht zu einer monomolekularen Lage anordnen.

Offiziell zertifiziert: 24,16 Prozent

Die neue Perowskit-CIGS-Tandemzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 24,16 Prozent. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert.

Eigener Zweig in den NREL-Charts

Da solche „2Terminal“-Tandemzellen aus CIGS und Perowskit nun eine eigene Kategorie darstellen, hat das National Renewable Energy Lab NREL, USA, dafür einen neuen Zweig auf der berühmten NREL Chart angelegt. Diese Grafik verzeichnet die Entwicklung der Wirkungsgrade für nahezu alle Solarzell-Typen seit 1976. Perowskit-Verbindungen sind erst seit 2013 mit eingezeichnet – Der Wirkungsgrad dieser Materialklasse ist seitdem so stark gestiegen wie für kein anderes Material.

Prof. Dr. Steve Albrecht leitet am HZB eine vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe und ist Juniorprofessor an der Technischen Universität Berlin. Dr. Christian Kaufmann leitet eine Arbeitsgruppe am PVcomB des HZB.  Aus dem HZB sind in den letzten Jahren bereits mehrfach Weltrekorde für Tandemsolarzellen aus Perowskit in Kombination mit anorganischen Halbleitern gemeldet worden. Aktuell hält das Team um Albrecht auch den Weltrekord für Tandemzellen aus Silizium und Perowskit mit 29, 1 Prozent, der ebenfalls in den NREL-Charts verzeichnet ist.

arö