Höherer Wirkungsgrad mit Silizium-Perowskit-Tandem

Die besten Solarzellen auf Siliziumbasis erreichen Wirkungsgrade um 25 Prozent. Um die Stromausbeute deutlich zu steigern, bieten sich Tandemzellen aus zwei verschiedenen Materialien an. Forscher fanden nun eine vielversprechende Kombination mit einer Tandemstruktur aus Silizium und Perowskit. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten damit günstige und zugleich mit Wirkungsgraden von bis zu 30 Prozent sehr effiziente Solarzellen entwickelt werden.

Mehrere aufeinanderliegende horizontale Schichten von unterschiedlicher Textur.
Tandemsolarzelle unter dem Mikroskop

„Perowskit und Silizium ergänzen sich hervorragend, um Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden entwickeln zu können“, sagt Lars Korte vom Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin. Zusammen mit Kollegen der University of Oxford fertigte er eine dünne Perowskit-Solarzelle an, in der die Forscher eine zuvor relativ instabile Komponente durch das Alkalimetall Cäsium ersetzten. Damit erhielten sie ein lichtaktives, kristallines Perowskit-Material, das sich deutlich stabiler gegenüber Wärme und Lichteinstrahlung zeigte. Deshalb hoffen die Forscher, dass die Solarmodule aus dem modifizierten Material zwanzig Jahre halten.

Die neue, stabilere Perowskit-Solarzelle allein erreichte bereits einen Wirkungsgrad von knapp über 17 Prozent. Dabei war sie – kombiniert mit einer hauchdünnen Elektrode aus Indiumzinnoxid – transparent genug, um einen Teil des einfallenden Sonnenlichts hindurch zu lassen. Eine zweite Siliziumsolarzelle unter der Perowskit-Zelle konnte daher noch die photovoltaische Stromausbeute um weitere 7,3 Prozent steigern. Dieses Tandem weist damit den Weg, um günstige Tandemsolarzellen mit Wirkungsgraden von über 25 Prozent konstruieren zu können.

Die Photovoltaik-Forscher aus Berlin arbeiten nicht nur mit der University of Oxford zusammen. Erst vor wenigen Monaten präsentierten sie gemeinsam mit Kollegen der École Polytechnique Fédérale in Lausanne eine andere Tandemsolarzelle, in der Silizium und Perowskit fest miteinander in einem Block verbunden waren. Diese Solarzelle wandelte immerhin schon 18 Prozent der Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom um, ein Fünftel mehr als eine Solarzelle aus nur einem Material.

Beide Ansätze belegen, dass die Effizienz von ausgereiften Siliziumsolarzellen mit dem günstigen Perowskit-Material in Zukunft signifikant erhöht werden könnte. Viele Forschergruppen arbeiten derzeit an der Steigerung der notwendigen Langzeitstabilität und konnten bereits erste Erfolge verzeichnen. Sollte es zudem gelingen, photovoltaisch ausreichend aktive Perowskit-Kristalle ohne das Schwermetall Blei herzustellen, könnte diese Materialklasse schon bald eine wichtige Rolle in der Produktion von Solarzellen spielen.