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. 

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.

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.

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.

arö


Das könnte Sie auch interessieren

  • Unkonventionelle Piezoelektrizität in ferroelektrischem Hafnium
    Science Highlight
    26.02.2024
    Unkonventionelle Piezoelektrizität in ferroelektrischem Hafnium
    Hafniumoxid-Dünnschichten sind eine faszinierende Klasse von Materialien mit robusten ferroelektrischen Eigenschaften im Nanometerbereich. Während das ferroelektrische Verhalten ausgiebig untersucht wurde, blieben die Ergebnisse zu den piezoelektrischen Effekten bisher rätselhaft. Eine neue Studie zeigt nun, dass die Piezoelektrizität in ferroelektrischen Hf0,5Zr0,5O2-Dünnschichten durch zyklische elektrische Felder dynamisch verändert werden kann. Ein weiteres bahnbrechendes Ergebnis ist die Möglichkeit einer intrinsischen nicht-piezoelektrischen ferroelektrischen Verbindung. Diese unkonventionellen Eigenschaften von Hafnia bieten neue Optionen für den Einsatz in der Mikroelektronik und Informationstechnologie.
  • 14 Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die Optoelektronik
    Science Highlight
    21.02.2024
    14 Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die Optoelektronik
    Ein HZB-Physiker hat eine neue Methode entwickelt, um Halbleiter durch einen einzigen Messprozess umfassend zu charakterisieren. Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ basiert auf dem Hall-Effekt und ermöglicht es, 14 verschiedene Parameter von negativen wie positiven Ladungsträgern zu erfassen. An zwölf unterschiedlichen Halbleitermaterialien demonstrierte nun ein großes Team die Tauglichkeit dieser neuen Methode, die sehr viel Arbeit spart. 
  • Das Helmholtz Zentrum Berlin ist fahrradfreundlicher Arbeitgeber
    Nachricht
    21.02.2024
    Das Helmholtz Zentrum Berlin ist fahrradfreundlicher Arbeitgeber
    Seit 2017 vergibt der Allgemeine Deutsche Fahrrad-Club (ADFC) die EU-weite Zertifizierung „Fahrradfreundlicher Arbeitgeber“. Nun hat das Helmholtz-Zentrum Berlin das begehrte Siegel in Silber erhalten. Damit möchte das HZB noch attraktiver als Arbeitgeber sein, gerade auch für internationale Bewerberinnen und Bewerber.