Tandemsolarzellen-Weltrekorde: Neuer Zweig im NREL-Chart

Die CIGS-Pero-Tandemzelle wurde in einer typischen Laborgröße von einem Quadratzentimeter realisiert. © HZB

Tandemzellen bestehen in der Regel aus zwei unterschiedlichen Halbleitern, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums in elektrische Energie umwandeln.

Dabei nutzen Metall-Halogenid Perowskit-Verbindungen vor allem die sichtbaren Anteile des Spektrums, während CIGS-Halbleiter mehr die infraroten Anteile umwandeln.

CIGS steht für eine Verbindung aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. CIGS-Zellen können als Dünnschichtstapel von insgesamt nur 3 bis 4 Mikrometern Dicke abgeschieden werden, die Perowskitschichten sind mit 0,5 Mikrometern sogar noch viel dünner.

Die neue Tandemsolarzelle aus CIGS und Perowskit besitzt damit eine Dicke von deutlich unter 5 Mikrometern, so dass biegsame Solarmodule denkbar sind.

„Diese Kombination ist zudem extrem leicht und stabil gegen Bestrahlung, so dass sie für Anwendungen in der Satellitentechnik im Weltraum eignen könnte“, sagt Prof. Dr. Steve Albrecht, HZB. Ergebnisse dazu sind nun auch in der renommierten Fachzeitschrift JOULE publiziert.

„Wir haben die Unterzelle aus CIGS diesmal direkt mit der Oberzelle aus Perowskit verschaltet, so dass die Tandemzelle nur zwei elektrische Kontakte, sogenannte „Terminals“ besitzt, erklärt Dr. Christian Kaufmann vom PVcomB am HZB, der mit seinem Team die CIGS-Unterzelle entwickelt hat: „Speziell die Einbringung von Rubidium hat das CIGS Absorbermaterial deutlich verbessert“. Albrecht und sein Team haben die Perowskit-Schicht im HySPRINT-Lab am HZB direkt auf der rauen CIGS-Schicht abgeschieden.

„Dabei haben wir einen Trick benutzt, den wir zuvor entwickelt haben“, erklärt der ehemalige Postdoc aus Albrechts Gruppe Dr. Marko Jošt, der nun an der Universität in Ljubjana, Slowenien, forscht. Sie brachten zunächst so genannte SAM-Moleküle auf die CIGS-Schicht, die sich selbstorganisiert dicht zu einer monomolekularen Lage anordnen.

Die neue Perowskit-CIGS-Tandemzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 24,16 Prozent. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert.

Da solche „2Terminal“-Tandemzellen aus CIGS und Perowskit nun eine eigene Kategorie darstellen, hat das National Renewable Energy Lab NREL, USA, dafür einen neuen Zweig auf der berühmten NREL Chart angelegt. Diese Grafik verzeichnet die Entwicklung der Wirkungsgrade für nahezu alle Solarzell-Typen seit 1976. Perowskit-Verbindungen sind erst seit 2013 mit eingezeichnet – Der Wirkungsgrad dieser Materialklasse ist seitdem so stark gestiegen wie für kein anderes Material.

Prof. Dr. Steve Albrecht leitet am HZB eine vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe und ist Juniorprofessor an der Technischen Universität Berlin. Dr. Christian Kaufmann leitet eine Arbeitsgruppe am PVcomB des HZB. Aus dem HZB sind in den letzten Jahren bereits mehrfach Weltrekorde für Tandemsolarzellen aus Perowskit in Kombination mit anorganischen Halbleitern gemeldet worden.

Aktuell hält das Team um Albrecht auch den Weltrekord für Tandemzellen aus Silizium und Perowskit mit 29, 1 Prozent, der ebenfalls in den NREL-Charts verzeichnet ist.

https://www.helmholtz-berlin.de/forschung/oe/ee/perowskite/index_de.html

JOULE (2020) Proton Radiation Hardness of Perovskite Tandem Photovoltaics

Felix Lang, Marko Jošt, Kyle Frohna, Eike Köhnen, Amran Al-Ashouri, Alan R. Bowman, Tobias Bertram, Anna Belen Morales-Vilches, Dibyashree Koushik, Elizabeth M.Tennyson, Krzysztof Galkowski, Giovanni Landi, Mariadriana Creatore, Bernd Stannowski, Christian A. Kaufmann, Jürgen Bundesmann, Jörg Rappich, Bernd Rech, Andrea Denker, Steve Albrecht, Heinz-Christoph Neitzert, Norbert H. Nickel, Samuel D. Stranks
DOI: 10.1016/j.joule.2020.03.006

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Dr. Antonia Rötger Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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