Photovoltaik Wirkungsgrad-Weltrekord für Tandem-Solarzellen

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Forscher der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien haben eine Tandem-Solarzelle aus Perowskit und Silizium mit einem PCE-Wert (Power Conversion Efficiency) von 33,2 Prozent entwickelt – das ist der bisher weltweit höchste Wirkungsgrad einer Tandem-Solarzelle.

Kristalline Silizium-Solarzellen dominieren den weltweiten Photovoltaikmarkt mit Modulwirkungsgraden um 20 bis 22 Prozent. Um die globalen Ziele für erneuerbare Energien zu erreichen sind Forscher jedoch auf der Suche nach Materialien und Ansätzen, mit denen sich noch höhere Wirkungsgrade erzielen lassen.

Tandem-Solarzellen, bei denen Silizium- und Perowskit-Subzellen kombiniert werden, gelten als vielversprechende, leistungsstarke und praktikable Alternative zu herkömmlichen kristallinen Solarzellen. Die King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien ist führend in diesem Bereich. Forscher des Photovoltaik-Labors (KPV-Lab) des KAUST-Solarzentrums haben nun eine Tandem-Solarzelle aus Perowskit und Silizium mit einem Wirkungsgrad von 33,2 Prozent entwickelt. Dies ist der bisher weltweit höchste Wirkungsgrad einer Tandem-Solarzelle und übertrifft den Rekord von 32,5 Prozent Wirkungsgrad des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB). Das Tandem-System wurde von der Europäischen Solartestanlage (ESTI) zertifiziert und steht an der Spitze des National Renewable Energy Laboratory (NREL), Best Research-cell Efficiency Chart.

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Konzept der Perowskit-/Silizium-Tandemzelle kontinuierlich perfektioniert

Unter der Leitung von Dr. Stefaan De Wolf, Professor für Material- und Ingenieurwissenschaften und interimistischer stellvertretender Direktor des KAUST Solar Centers, hat das Team das Konzept der Perowskit-/Silizium-Tandemzelle seit 2016 kontinuierlich perfektioniert – durch die Entwicklung neuer Materialien, Methoden und Gerätestrukturen sowie durch die Bewältigung grundlegender Herausforderungen wie der gleichmäßigen Bedeckung der mikrometergroßen pyramidenförmigen Oberfläche von Siliziumzellen mit Perowskit-Material.

Die resultierende Tandem-Solarzelle kombiniert Perowskit-Deckschichten auf industriell kompatiblen, zweiseitig strukturierten Silizium-Bodenschichten. Die Perowskit-Deckschicht absorbiert blaues Licht am besten, die Siliziumbasis rotes Licht. Die Kombination dieser Materialien maximiert den Einfang und die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität effizienter als herkömmliche Siliziumsolarzellen.

Bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der Solarenergie

Die Innovation ist ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der Solarenergie zu einer Zeit, in der Marktprognosen davon ausgehen, dass die Tandem-Perowskit-/Silizium-Technologien bis 2032 einen Anteil von mehr als 10 Milliarden US-Dollar am weltweiten Photovoltaik-Markt haben werden.

„Dieser neue Rekord ist der höchste PCE-Wert einer Tandem-Solarzelle unter nicht konzentriertem Licht“, betont De Wolf. „Das belegt das enorme Potenzial von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen für die Herstellung von Photovoltaik-Modulen mit extrem hoher Leistung. Und diese sind für die rasche Verwirklichung der Ziele im Bereich der erneuerbaren Energien zur Bekämpfung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung!“

Mit kollektivem Knowhow zum Erfolg

Das kollektive Knowhow und die Fähigkeiten mehrerer leitender Forscher haben zu dem jüngsten Erfolg beigetragen, insbesondere Dr. Esma Ugur, die auf optische Spektroskopie und die Analyse und Visualisierung von Zelldefekten spezialisiert ist, Dr. Erkan Aydin, ein Experte für die Skalierbarkeit und Stabilität von hocheffizienten Tandemsolarzellen, sowie Dr. Thomas Allen, der sich auf die Entwicklung von c-Si-Bodenzellen konzentriert.

Das Team erforscht derzeit skalierbare Methoden zur Fertigung von Perowskit-/Silizium-Tandemzellen in industriellem Maßstab mit einer Fläche von mehr als 240 cm² sowie Strategien zum Bestehen der kritischen industriellen Stabilitätsprotokolle.

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