In Neuchâtel haben Wissenschaftler der EPFL eine Tandemsolarzelle entwickelt, die einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,2 % erzielen kann. Erreicht wurde dies durch die Kombination einer Perowskit-Solarzelle mit einer texturierten Silizium-Solarzelle.
Silizium-Solarzellen sind zwar weit verbreitet, haben aber nur einen begrenzten Umwandlungswirkungsgrad. Aufgrund der thermodynamischen Beschränkungen des Prozesses dürfte der Wirkungsgrad in naher Zukunft bei etwa 27% liegen. Paneele, die mit dieser Art von Solarzellen ausgestattet sind, werden daher einen Wirkungsgrad von höchstens 23 bis 25 % erreichen.
Diese Einschränkungen können jedoch überwunden werden, indem das Silizium mit einer zweiten Solarzelle kombiniert wird, die die blaue und grüne Strahlung des Sonnenspektrums absorbiert, um sie effizienter zu nutzen. Diese beiden Zellen bilden somit ein "Tandem". Unter den verschiedenen Materialien, die für dieses Tandem verwendet werden können, haben sich Perowskite auf Halogenidbasis kürzlich als die bestmögliche Alternative erwiesen, um die Effizienz des Siliziums zu steigern, ohne allzu hohe zusätzliche Herstellungskosten zu verursachen.
Eine der Hürden bestand darin, einen Weg zu finden, die absichtlich rau gelassene oder strukturierte Siliziumoberfläche gleichmäßig mit einer dünnen Schicht aus halogenidbasiertem Perowskit zu beschichten. Man verwendet nämlich eine strukturierte Oberfläche, um die Lichtreflexion auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Art von System findet sich bereits in allen kommerziell erhältlichen kristallinen Siliziumzellen.
Wissenschaftler des Labors für Photovoltaik und elektronische Dünnschichten (PV-lab) der EPFL unter der Leitung von Christophe Ballif haben 2018 eine Methode entwickelt, um die Perowskitschichten gleichmäßig auf dem texturierten Silizium zu verteilen. Die zum Nachweis der Machbarkeit des Konzepts entwickelten Vorrichtungen schaffen es, einen Wirkungsgrad von 25,2 % zu erreichen . Die Forscherinnen und Forscher haben nun den Kristallisationsprozess von Perowskit verbessert und ultratransparente Schichten entwickelt, die zu Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 29,2 % auf einer Fläche von 1 cm2 führen. Dieser Wirkungsgrad wurde vom unabhängigen Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) in Deutschland zertifiziert und stellt einen neuen Weltrekord für ein vollständig texturiertes Silizium-Perowskit-Bauelement dar.
Dies ist jedoch nur der erste Schritt. Das Forscherteam hat bereits einen neuen Weg gefunden, um Wirkungsgrade von über 30 % zu erreichen, indem es den hohen elektrischen Strom nutzt, den die Siliziumtextur liefert. "Es wird noch mehrere Jahre Forschung und Entwicklung benötigen, um diese Technologie und die entsprechenden Herstellungsverfahren auf den Markt zu bringen", erklärt Christophe Ballif. "Eine der größten Herausforderungen wird die Entwicklung von Solarzellen sein, die mehr als 25 Jahre lang unverändert auf den Dächern verbleiben können. Aber die Tatsache, dass wir einen höheren Wirkungsgrad erreichen, ohne die Siliziumtextur zu verändern, wird für die Photovoltaikindustrie sehr interessant sein." Diese Entdeckung eröffnet vielversprechende Perspektiven, um die Kosten der Stromerzeugung pro kWh zu senken, indem auf der gleichen Fläche mehr Energie erzeugt wird.
*Diese Forschung wurde vom Team des PV-lab in Neuchâtel (Dr. Xin Yu Chin, Deniz Turkay und Dr. Christian Wolff) in Zusammenarbeit mit Ingenieuren des CSEM (Dr. Brett Kamino, Dr. Florent Sahli und Dr. Quentin Jeangros) durchgeführt. Sie wurden vom Schweizerischen Bundesamt für Energie, dem Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, der EU und SIG subventioniert.
