CIGS-Perowskit-Tandemzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 25,5 %

Ein Berliner Team aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Center for the Science of Materials Berlin (CSMB) an der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen neuen Rekord für eine Tandemsolarzelle aufgestellt. Durch die Kombination einer CIGS-Halbleiterschicht mit Perowskit gelang es ihnen, 25,5 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Der bisherige Rekord für diese Materialkombination und diese Zellgröße lag bei 24,6 %. Der neue Rekord wurde zertifiziert und ist in den Solar Cell Efficiency Tables (den „Green Tables“) zu finden, die als Nachschlagewerk für die weltweite Photovoltaik-Gemeinschaft gelten.

Um in diese spezielle „Rekordtabelle“ aufgenommen zu werden, ist nicht nur ein hoher Wirkungsgrad erforderlich, sondern auch eine Fläche von mehr als 1 cm². Die bekannte NLR-Tabelle (ehemals NREL) listet dagegen nur den maximalen Wirkungsgrad pro Technologie auf, selbst wenn die Zelle eine Fläche von nur 0,001 cm² hat.

„Um unseren bisherigen Meilenstein im Rahmen des europäischen Projekts SOLMATES zu übertreffen, setzten wir CIGSe-Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken (d. h. 1,05 eV und 1,1 eV) ein, und nutzten zwei unterschiedliche Schichtdicken von mit Aluminium dotierten Zinkoxiden. Außerdem haben wir verschiedene Zellarchitekturen getestet und damit die Verbesserungen ergänzt, die wir bereits bei unserem vorherigen Rekord erzielt hatten“, sagt Dr. Guillermo Farias Basulto.

Um die Rekombinationsverluste an den Grenzflächen zu reduzieren und die Stabilität der Bauelemente zu verbessern, untersuchte der Chemiker Wuai Zhang (CSMB) viele Kombinationen aus Nickeloxid und selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) als Lochtransportmaterial. Zhang optimierte außerdem den elektronenselektiven Kontakt, indem er die Verdampfungsrate von Buckminsterfulleren (C₆₀) auf einer ultradünnen Passivierungsschicht aus Lithiumfluorid (LiF) veränderte.

Die Zelle hat eine Fläche von 1,081 cm², was immer noch sehr klein ist. Im Rahmen des SOLMATES-Projekts gelang es jedoch Nicolas Otto von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) gemeinsam mit Thede Mehlhop vom HZB, ein Minimodul mit einem ähnlichen Materialstapel und einem Wirkungsgrad von etwa 19,7 % bei einer Fläche von 2,25 cm² herzustellen. „Physikalische Gründe sprechen dafür, dass 25,5 % lediglich ein Zwischenergebnis sind. In internen Tests mit ähnlichen Architekturen konnten wir bereits Wirkungsgrade von 27,5 % erreichen“, betont Farias-Basulto.