Photovoltaik Tandem-Solarzelle kombiniert erstmals Silizium und Perowskit

Die Massenfertigung von Silizium-Solarzellen nutzt so genannte Perc-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) gezeigt, dass solche Standard-Silizium-Zellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskit-Topzellen geeignet sind.

Anbieter zum Thema

ET System electronic GmbH

Cadlog Group

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Helmholtz-Zentrum Berlin

Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandemzelle zwar noch unterhalb dem von optimierten Perc-Zellen (Passivated Emitter and Rear Cell) allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 Prozent gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Tandemzellen aus Silizium und Perowskit sind in der Lage, das breite Energiespektrum des Sonnenlichts effizienter in elektrische Energie umzuwandeln als die jeweiligen Einzel-Zellen. Nun ist es zwei Teams vom HZB und dem ISFH Hameln erstmals gelungen, eine Perowskit-Topzelle mit einer so genannten Perc/Polo- (polycrystalline silicon on oxide) Silizium-Zelle zu einem Tandem-Bauelement zu kombinieren. Das Besondere: Perc-Silizium-Zellen auf p-typ-Silizium sind das „Arbeitspferd“ der Photovoltaik, mit einem Marktanteil von mehr als 50 Prozent aller weltweit produzierten Solarzellen. Sie sind weitgehend optimiert, temperatur- und langzeitstabil. Deshalb ist es für die Kommerzialisierung einer Perowskit-Silizium-Tandem-Technologie besonders interessant, ein „Perowskit-Tandem-Upgrade“ für Perc-Zellen zu entwickeln. Die Kooperation fand im Rahmen des Verbundprojekts P3T statt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert und vom HZB koordiniert wird.

Perc-Prozess für Rückseiten-Kontakt genutzt

Das Team am ISFH hat für den Rückseiten-Kontakt der Silizium-Bottomzellen einen industriekompatiblen Perc-Prozess genutzt. Auf der Vorderseite des Wafers kam mit dem sogenannten Polo-Kontakt eine weitere industrialisierbare Technologie zum Einsatz, die hier für die kleinflächigen proof-of-concept-Zellen angepasst wurde.

Die weiteren Prozess-Schritte fanden am HZB statt: Eine zinndotierte Indiumoxid-Rekombinationsschicht wurde als Kontakt zwischen den beiden Teilzellen aufgebracht. Darauf wurde eine Perowskit-Zelle mit einer Schichtfolge prozessiert, die der in der aktuellen HZB-Weltrekord-Tandem-Zelle auf n-typ-Silizium-Heterojunction-Zellen ähnelt. Die ersten so produzierten Perowskit-Perc/Polo-Tandemzellen erreichen auf einer aktiven Zell-Fläche von ca. 1 cm² einen Wirkungsgrad von 21,3 Prozent. Dieser Wirkungsgrad liegt in dieser Machbarkeitsstudie also noch unterhalb des Wirkungsgrads von optimierten Perc-Zellen. „Erste experimentelle Ergebnisse und optische Simulationen deuten aber darauf hin, dass wir die Leistung durch Prozess- und Schichtoptimierung erheblich verbessern können“, erklärt Dr. Lars Korte, der korrespondierende Autor der Studie.

Potenzieller Wirkungsgrad: 29,5 Prozent

Die Experten schätzen das Potenzial für den Wirkungsgrad (Fachbegriff PCE für Power Conversion Efficiency) dieser Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit Perc-ähnlicher Unterzellentechnologie auf 29,5 Prozent . Erste Schritte zur weiteren Steigerung sind bereits im Blick: Dr. Silvia Mariotti aus dem HZB Team hatte die Bedeckung der Silizium-Oberfläche durch den Perowskiten als Verbesserungspotential identifiziert: „Man könnte dazu die Oberfläche der Silizium Wafer anpassen und so rasch die Effizienz auf ca. 25 Prozent steigern“, so Mariotti. Das liegt dann bereits deutlich über der Effizienz von Perc-Einzelzellen.

Perowskit-Solarzellen

Defekte fangen Ladungsträger ein – und geben sie wieder frei

Bleifreie Perowskit-Solarzellen

Photovoltaik: Wie Fluor-Additive die Qualität verbessern

Neue Rekorde bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

(ID:48035917)