Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Monolithische Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit mit Rekord-Wirkungsgrad

28.10.2015

Erstmals ist es Teams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, gelungen, eine Silizium-Hetero-Solarzelle mit einer Perowskit-Solarzelle monolithisch - in einem Block - zu kombinieren. Die hybride Tandemzelle erreichte einen Wirkungsgrad von 18 Prozent. Das ist derzeit der höchste publizierte Wert für einen solchen Aufbau. Perspektivisch könnten sogar Wirkungsgrade von bis zu 30 Prozent möglich sein.

Das organisch-anorganische Material Perowskit ist eine der größten Überraschungen in der Solarzellenforschung: In nur sechs Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen verfünffacht, darüber hinaus können Perowskit-Schichten aus Lösung hergestellt und in Zukunft kostengünstig auf großer Fläche gedruckt werden.


Die Basis der Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle. Darauf wurde eine sehr dünne Schicht transparentes Zinndioxid abgeschieden, die mit Perowskit (500 nm) sowie dem Lochleitermaterial spiro-OMeTAD (300 nm) bedeckt wurde. Dünnes MO3 dient als Schutzschicht zwischen diesem Lochleiter und der transparenten ITO- Topelektrode. Grafik: S. Albrecht/HZB


Einen Querschnitt durch den Aufbau der Tandemzelle zeigt diese SEM-Aufnahme.

Bild: HZB

Interessant aber schwer zu kombinieren: Perowskit mit Silizium

Weil Perowskit-Schichten das Licht im blauen Spektrum sehr effizient nutzen, ist es interessant, sie mit Silizium-Schichten zu kombinieren, die vor allem das langwellige, rote und nahinfrarote Licht umwandeln. Doch praktisch ist der Bau solcher monolithischer Tandemzellen aus einer Abfolge von aufeinander abgeschiedenen Schichten schwierig: Denn um hohe Effizienzen zu erhalten, werden die Perowskite üblicherweise auf Titandioxidschichten aufgeschleudert, die zuvor bei knapp 500 Grad Celsius gesintert werden müssen. Solche Temperaturen vertragen jedoch die amorphen Siliziumschichten nicht, die bei Hetero-Siliziumzellen den kristallinen Siliziumwafer bedecken.

Neue Schutzschichten machen es möglich

Nun hat ein Team um Prof. Dr. Bernd Rech und Dr. Lars Korte vom HZB-Institut für Siliziumphotovoltaik in Zusammenarbeit mit dem PVcomB und einer Gruppe um Prof. Dr. Michael Graetzel von der Éole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) erstmals eine solche monolithische Tandemzelle hergestellt: Es gelang, auf der Hetero-Siliziumzelle mit einem schonenden Verfahren eine Zinndioxid-Lage bei kleinen Temperaturen abzuscheiden; auf diese Unterlage konnte dann eine dünne Perowskit-Schicht aufgeschleudert und mit einem Lochleitermaterial bedeckt werden.

Ein weiteres Schlüsselelement dieser Zellarchitektur ist der transparente Topkontakt: Die dafür notwendigen Metalloxide werden durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) abgeschieden und würden unter üblichen Bedingungen die sensible Perowskit-Schicht sowie den Lochleiter zerstören. Hier hat das Team vom HZB das Verfahren modifiziert und eine transparente Schutzschicht eingebaut.

Wirkungsgrad 18 Prozent und hohe Leerlaufspannung

Diese Tandemzelle erreichte mit 18 Prozent einen Wirkungsgrad, der knapp 20 Prozent höher als die Wirkungsgrade der einzelnen Zellen ist. Die Leerlauf-Spannung beträgt 1,78 Volt. „Damit wäre diese Materialkombination sogar auch für die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht interessant“, sagt Dr. Steve Albrecht, Erstautor der Arbeit, die nun im renommierten Journal Energy & Environmental Science erschienen ist.

Bis zu 30 Prozent Wirkungsgrad durch verbesserten Lichteinfang erreichbar

Steve Albrecht, Post-Doc bei Bernd Rech, hat das Probendesign der Tandemzelle entwickelt und die Kooperation mit der EPFL koordiniert. „Der gemessene Wirkungsgrad ist mit 18 Prozent zwar schon sehr gut, aber aktuell geht noch Licht an den Oberflächen verloren“, erklärt er und plant weitere Verbesserungen. So könnten strukturierte Folien auf der Vorderseite Licht einfangen und in die Zelle einkoppeln, was den Wirkungsgrad weiter steigern würde. Auch die Silizium-Heterosolarzelle, die hier die Bottom-Zelle und gleichzeitig das Substrat für die Perowskit-Topzelle bildet, bietet noch Potenzial für Verbesserungen. „Diese Zelle wird für das Perowskit-Silizium-Tandem im Moment noch auf einem glatten Silizium-Wafer hergestellt. Durch eine Strukturierung des Wafers mit Lichteinfangstrukturen, z.B. Zufallspyramiden, könnte die Effizienz bis auf 25 oder sogar 30 Prozent gesteigert werden“, sagt Dr. Lars Korte, Leiter der Arbeitsgruppe Silizium-Hetero-Kontaktsysteme am Institut für Siliziumphotovoltaik.

Integration in bestehende industrielle Produktionsverfahren

Fast noch wichtiger als maximale Wirkungsgrade aber ist die Integration in bestehende Technologien: „Aktuell beherrscht die Silizium-Technologie 90 Prozent des Marktes, das heißt, es gibt viele etablierte Produktionsanlagen für Siliziumzellen“, sagt Prof. Dr. Bernd Rech. „Die Perowskit-Schichten könnten den Wirkungsgrad erheblich steigern. Dafür müssten die Produktionsverfahren nur um wenige Schritte erweitert werden. Deshalb ist unsere Arbeit auch für die Industrie extrem interessant. Allerdings müssen die Probleme der Langzeitstabilität und des Bleigehalts von Perowskit Solarzellen durch künftige Forschung gelöst werden!“

Monolithic Perovskite/Silicon-Heterojunction Tandem Solar Cells Processed at Low Temperature
Steve Albrecht, Michael Saliba, Juan Pablo Correa Baena, Felix Lang, Lukas Kegelmann, Mathias Mews, Ludmilla Steier, Antonio Abate, Joerg Rappich, Lars Korte, Rutger Schlatmann, Nazeeruddin, Mohammad K., Anders Hagfeldt, Michael Grätzel and Bernd Rech
Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/C5EE02965A

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Bernd Rech
Institut Silizium-Photovoltaik
bernd.rech@helmholtz-berlin.de

Dr. Lars Korte
Institut Silizium-Photovoltaik
korte@helmholtz-berlin.de

Dr. Steve Albrecht
Institut Silizium-Photovoltaik
steve.albrecht@helmholtz-berlin.de

HZB-Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
+49 30 8062-43733
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14342&sprache=de&ty...
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/EE/C5EE02965A#!divAbstract

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Projekt »Lade-PV« gestartet: Fahrzeugintegrierte PV für Elektro-Nutzfahrzeuge
03.04.2020 | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

nachricht Den Regen für Hydrovoltaik nutzen
03.04.2020 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Im Focus: Sensationsfund: Spuren eines Regenwaldes in der Westantarktis

90 Millionen Jahre alter Waldboden belegt unerwartet warmes Südpol-Klima in der Kreidezeit

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)...

Im Focus: A sensational discovery: Traces of rainforests in West Antarctica

90 million-year-old forest soil provides unexpected evidence for exceptionally warm climate near the South Pole in the Cretaceous

An international team of researchers led by geoscientists from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) have now...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste SARS-CoV-2-Genome aus Österreich veröffentlicht

03.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Projekt »Lade-PV« gestartet: Fahrzeugintegrierte PV für Elektro-Nutzfahrzeuge

03.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics