Tandemsolarzellen mit Perowskit: Nanostrukturen helfen mehrfach
Rasterelektronen-Mikroskopie von Perowskit-Silizium-Tandemzellen im Querschnitt mit Nanotextur und Rückreflektorschicht (golden). © P. Tockhorn/HZB
Ende 2021 hatten drei Teams am HZB Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von knapp 30 Prozent vorgestellt. Dieser Wert hielt acht Monate lang den Weltrekord, eine sehr lange Zeit für dieses heiß umkämpfte Forschungsfeld. In der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology beschreiben die Beteiligten nun, wie sie mit nanooptischen Strukturierungen und Reflexionsbeschichtungen diesen Rekordwert erreicht haben.
Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium ermöglichen deutlich höhere Wirkungsgrade als Siliziumsolarzellen allein. Mehrere Arbeitsgruppen am HZB forschen daran, solche Tandemsolarzellen gezielt zu entwickeln und zu optimieren. Mit großem Erfolg, Tandemzellen aus dem HZB haben bereits mehrere Weltrekorde erreicht.
Acht Monate lang Weltspitze
Zuletzt erzielten HZB-Forschungsteams im November 2021 mit einer Tandemzelle aus Perowskit- und Silizium einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,8 %. Dies war ein absoluter Weltrekord, der acht Monate ungeschlagen an der Spitze stand. Erst im Sommer 2022 ist es einem Schweizer Team an der EPFL gelungen, diesen Wert zu übertreffen.
Gebündelte Kompetenz am HZB
Für die Rekord-Tandemzelle hatten drei HZB-Teams eng zusammengearbeitet. Nun stellen sie in Nature Nanotechnologie die Details vor. Die Zeitschrift lud sie darüber hinaus ein, ein so genanntes „Research Briefing“ zu verfassen, in dem sie ihre Arbeit kurz zusammenfassen und einen Ausblick auf künftige Entwicklungen geben.
Nanooptik bringt Vorteile
„Unsere jeweiligen Kompetenzen ergänzen sich sehr gut“, sagt Prof. Dr. Christiane Becker, die mit dem Team um Dr. Bernd Stannowski (Silizium-Unterzelle) und Prof. Dr. Steve Albrecht (Perowskit-Oberzelle) die Weltrekordzelle entwickelt hat. Beckers Team hat eine nanooptische Texturierung in die Tandemzelle eingebracht: Eine sanft gewellte Nanotextur auf der Silizium-Oberfläche. „Überraschend war, dass diese Textur gleich mehrere Vorteile bringt“, betont Becker: „Die Nanotextur reduziert nicht nur wie erwartet die Reflexionsverluste, sondern führt auch noch dazu, dass sich der extrem dünne Film aus Perowskit deutlich regelmäßiger bildet.“ Außerdem reduziert eine dielektrische Pufferschicht auf der Rückseite des Siliziums die parasitäre Absorption bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich.
Als Fazit halten die Forschenden fest: Mit maßgeschneiderten Nanotexturen lassen sich überraschend vielseitige Verbesserungen erreichen. Diese Ergebnisse sind nicht nur für Tandemzellen aus Perowskit- und Silizium wertvoll, sondern auch für Leuchtdioden auf Perowskit-Basis.
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