Tandemsolarzellen mit bis zu 24,3 Prozent Wirkungsgrad Skalierbare Herstellung von Perowskit-Photovoltaik

Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium können höhere Wirkungsgrade erreichen als herkömmliche Siliziumzellen, doch ihre industrielle Herstellung bleibt eine Herausforderung. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Valencia haben nun gemeinsam ein schnelles, lösungsmittelfreies Vakuumverfahren weiterentwickelt, das Perowskit-Schichten auch auf strukturierten Siliziumoberflächen und bei hoher Rate gleichmässig aufbringt.

Perowskit-Silizium-Solarzellen verbinden zwei Halbleiter, die unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts nutzen. Die obere Perowskit-Schicht nimmt vor allem energiereiches, also kurzwelliges Licht auf, während die darunterliegende Siliziumzelle vorwiegend längerwellige Anteile verwertet. Dadurch können Tandem-Solarzellen mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln als reine Siliziumzellen. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, die dünne Perowskit-Schicht grossflächig, gleichmässig und schnell aufzubringen.

«Für die industrielle Fertigung zählt nicht nur der Wirkungsgrad, sondern auch, ob ein Prozess schnell, robust und skalierbar ist», sagt Professor Ulrich Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik und vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. «Wir konnten zeigen, dass ein besonders schneller Vakuumprozess nicht nur gleichmässige Schichten erzeugt, sondern daraus auch effiziente Perowskit-Silizium-Solarzellen entstehen.»

CSS-Verfahren beschleunigt Beschichtung

Der schnelle Vakuumprozess beruht auf der Close-Space-Sublimation, kurz CSS. Dabei verdampfen die Ausgangsstoffe und treffen auf die Siliziumzelle, die nur wenige Millimeter von der Materialquelle entfernt liegt. Dort reagieren sie direkt zu einer Perowskit-Schicht. Ein wichtiger Vorteil des CSS-Verfahrens ist der geringe Verbrauch des Ausgangsmaterials pro Beschichtung und die Wiederverwendbarkeit der Quellen. «Mit der Close-Space-Sublimation konnten wir auch die anspruchsvollen organischen Ausgangsmaterialien ohne Lösungsmittel und in kurzer Zeit auf Silizium aufbringen», erläutert die Co-Autorin Sofia Chozas-Barrientos von der Universität Valencia. «Im Experiment war die Umwandlung nach zehn Minuten abgeschlossen – für ein Vakuumverfahren ist das ein wichtiger Fortschritt.»

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Materialzusammensetzung stellt Bandlücke ein

Neben der gleichmässigen Beschichtung muss die obere Perowskit-Schicht auch die passenden Lichtanteile aufnehmen. Diese Eigenschaft wird über die Bandlücke des Materials gesteuert: In der oberen Teilzelle muss sie grösser sein, also wie ein Filter die jeweils richtigen Lichtanteile absorbieren und transmittieren, damit Perowskit und Silizium effizient aufeinander abgestimmt sind. Da Brom die Bandlücke vergrössern kann, testeten die Forschenden zunächst eine bromhaltige anorganische Vorläuferschicht. Bei der Umwandlung zum Perowskit blieb der gewünschte Anteil im Material jedoch nicht erhalten.

«Die Lösung war eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid», erklärt Co-Autor Dr. Alexander Diercks vom LTI, der innerhalb der Zusammenarbeit im Horizon Europe-Projekt «Nexus» sechs Monate für seine Doktorarbeit in der Gruppe von Professor Henk Bolink an der Universität Valencia verbrachte. «Über das Verhältnis dieser beiden Bestandteile konnten wir den Bromanteil im fertigen Material kontrollieren und eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt erreichen.»

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Ein Schritt in Richtung industrielle Produktion

Für eine industrielle Fertigung muss der CSS-Prozess auf unterschiedlichen Siliziumoberflächen funktionieren. Dazu zählen auch strukturierte Oberflächen, weil sie den Weg des Lichts in der Zelle verlängern und so die Absorption erhöhen. Die Forschenden testeten den CSS-Prozess daher auf Siliziumunterzellen mit glatter, nano- und mikrostrukturierter Oberfläche. Auf allen drei Oberflächen entstanden vergleichbare Perowskit-Schichten, ohne dass die Prozessparameter angepasst werden mussten. Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalysen zeigten eine gleichmässige Bedeckung. Die damit hergestellten Tandemsolarzellen erreichten 23,5 Prozent Wirkungsgrad auf glatten, 23,7 Prozent auf nanostrukturierten und 24,3 Prozent auf mikrostrukturierten Siliziumzellen.

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«Für die Skalierung ist das sehr wichtig», erläutert Professor Henk Bolink. «Ein Verfahren, das nur auf perfekt glatten Oberflächen funktioniert, wäre für industrielle Anwendungen begrenzt nutzbar. Dass Close-Space-Sublimation auch auf strukturierten Siliziumzellen gleichmässige Schichten erzeugt, macht den Ansatz relevant für die Praxis.»

Die Studie ging aus einer engen Kooperation der Forschungsgruppen am KIT und an der Universität Valencia hervor. Beteiligt waren ausserdem das CONICET-UNL in Argentinien sowie die Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN in Frankreich.

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