Solarzellen der nächsten Generation

So effizient wie nie Solarenergie gewinnen

19. April 2022, 15:52 Uhr | Kathrin Veigel
Fraunhofer ISE
Herkömmliche Silizium-Solarzellen haben nicht mehr viel Optimierungspotenzial. Daher wenden sich Forscher nun Tandem-Solarzellen aus Perowskit und organischen Absorberschichten zu.
© Fraunhofer ISE

Forscher haben eine Tandem-Solarzelle aus Perowskit und organischen Absorberschichten mit hoher Effizienz entwickelt, die günstiger herzustellen ist als herkömmliche Silizium-Solarzellen. Die Weiterentwicklung dieser Technologie soll eine noch nachhaltigere Gewinnung von Solarenergie ermöglichen.

Ein deutsches Forschungsteam hat eine Tandem-Solarzelle entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 24 Prozent erreicht – gemessen anhand des Anteils der in Strom (Elektronen) umgewandelten Photonen. Damit stellt das Team einen neuen Weltrekord auf: Es ist der höchste Wirkungsgrad, der bislang durch die Kombination von organischen und Perowskit-basierten Absorbern erzielt werden konnte.

Die Solarzelle wurde in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Thomas Riedl an der Universität Wuppertal zusammen mit Forschern vom Institut für Physikalische Chemie der Kölner Universität und weiteren Projektpartnern von den Universitäten Potsdam und Tübingen sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin sowie dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf entwickelt.

Herkömmliche Solarzellentechnologien basieren überwiegend auf dem Halbleiter Silizium und gelten inzwischen als so gut wie ausoptimiert. Signifikante Verbesserungen ihres Wirkungsgrades – das heißt, mehr Watt elektrischer Leistung pro Watt eingesammelter Sonnenstrahlung – sind kaum noch zu erwarten. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung neuer Solartechnologien, die im Kontext der Energiewende einen entscheidenden Beitrag leisten können, dringend erforderlich.

Solarzelle Uni Köln Uni Wuppertal
Auf der linken Seite ist eine Kontaktierte Tandemsolarzelle im Sonnensimulator an der Universität Wuppertal zu sehen, auf der rechten die Messapparatur für die Untersuchung der Energieniveaus mittels Photoelektronenspektroskopie an der Universität zu Köln.
© Cedric Kreusel, Wuppertal (li.)/Selina Olthof, Köln (re.)

Zwei solcher alternativen Absorbermaterialien hat das Forscherteam nun kombiniert. Zum einen kamen organische Halbleiter zum Einsatz, also Kohlenstoffverbindungen die unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom leiten können. Diese wurden mit Perowskit-Halbleitern kombiniert, welche auf einer Blei-Halogen-Verbindung basieren und hervorragende halbleitende Eigenschaften besitzen. Zur Herstellung beider Technologien ist der Bedarf an Material und Energie bedeutend geringer als bei konventionellen Siliziumzellen, was die Möglichkeit eröffnet, noch nachhaltigere Solarzellen zu entwickeln.

Da Sonnenlicht aus verschiedenen Spektralanteilen, sprich Farben, besteht, müssen effiziente Solarzellen einen möglichst großen Anteil dieses Sonnenlichtes in Strom umwandeln. Dies kann mit sogenannten Tandem-Zellen erreicht werden, bei denen in der Solarzelle verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, welche jeweils unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums absorbieren. In der aktuellen Studie kamen organische Halbleiter für den ultravioletten und sichtbaren Teil des Lichtes zum Einsatz, während Perowskit den nahen Infrarotbereich effizient absorbieren kann. An ähnlichen Materialkombinationen wurde schon in der Vergangenheit geforscht, doch dem Forschungsteam gelang es nun, deren Leistungsfähigkeit entscheidend zu steigern.

Zu Projektbeginn hatten die weltweit besten Perowskit/Organik-Tandemzellen einen Wirkungsgrad von circa 20 Prozent. Unter Federführung der Universität Wuppertal konnten die Kölner Forscher zusammen mit den weiteren Projektpartnern den neuen Bestwert von 24 Prozent erzielen. »Um solch hohe Effizienz zu erreichen, mussten innerhalb der Solarzelle die Verluste an den Grenzflächen zwischen den Materialien minimiert werden«, erklärt Dr. Selina Olthof vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Köln. Hierzu entwickelten die Wuppertaler Forscher einen sogenannten Interconnect, der die organische Subzelle mit der Perowskitzelle elektrisch und optisch verbindet.

Um Verluste so gering wie möglich zu halten, wurde als Interconnect eine nur 1,5 Nanometer dünne Schicht aus Indiumoxid in die Solarzelle integriert. Die Forscher aus Köln trugen hier maßgeblich dazu bei, die Grenzflächen sowie den Interconnect elektrisch und energetisch zu untersuchen, um Verlustprozesse zu identifizieren und eine weitere Optimierung der Bauteile zu ermöglichen. Simulationen der Wuppertaler Arbeitsgruppe zeigen, dass mit diesem Ansatz in Zukunft Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad jenseits der 30 Prozent erreichbar sind.


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