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Neuer Rekord für Tandem-Solarzelle

Solarzelle
Messungen an einer Tandem-Solarzelle unter einem Sonnensimulator. © Cedric Kreusel

Solarenergie ist eine wichtige Säule der Energiewende, daher gilt für Solarzellen: Je effizienter desto besser. Einen wichtigen Fortschritt hat dabei nun ein Forschungsteam mit sogenannten Tandem-Solarzellen erzielt – einer Kombination von organischen Dünnschicht-Solarzellen mit kristallinen Perowskit-Halbleitern. Dank optimierter Grenzschichten und Materialien erreichte diese Tandem-Solarzelle erstmals eine Wirkungsgrad von 24 Prozent – Weltrekord. Die Weiterentwicklung dieser Technologie könnte eine nachhaltigere Gewinnung von Solarenergie ermöglichen, zudem sind diese Tandem-Zellen günstiger herzustellen als herkömmliche Solarzellen aus Silizium.

Solarzellen wandeln eintreffendes Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Dies geschieht durch die Anregung von Atomen und die Mobilisierung von Elektronen im Material der Photovoltaikanlagen. Gängige Solarzellen nutzen dafür meist den Halbleiter Silizium als aktives Material, gelten allerdings inzwischen als so gut wie „ausoptimiert“. Signifikante Verbesserungen ihres Wirkungsgrades – das heißt, mehr Watt elektrischer Leistung pro Watt absorbierter Sonnenstrahlung – sind kaum noch zu erwarten. Die besten Werte liegen bei rund 27 Prozent. Eine andere Variante sind kristalline Solarzellen auf Basis von Perowskit-Hableitern, die günstiger sind als Silizium, aber weniger haltbar. Eine Alternative dazu sind organische Dünnschicht-Solarzellen. Bei ihnen werden lichtabsorbierende Schichten aus organischen Molekülen dünn auf einen Trägerfilm aus Kunststoff aufgedruckt. Bisher allerdings reichen die Wirkungsgrade der organischen Solarzellen nicht an die der kristallinen Formen heran.

Die Kombination machts

Eine Kombination zweier dieser Konzepte haben nun Kai Brinkmann von der Bergischen Universität und seine Kollegen weiterentwickelt. „Richtig spannend wird es, wenn organische und Perowskit-Solarzellen sozusagen im Tandem antreten“, sagt Brinkmann. Für ihre Tandem-Solarzelle haben die Wissenschaftler einen organischen Halbleiter in Form eines speziellen Polymers verwendet und diesen mit Perowskit-Halbleitern auf Basis einer Blei-Halogen-Verbindung kombiniert. Der Vorteil daran: Die beiden Komponenten absorbieren jeweils unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums besonders gut. Die organischen Halbleiter haben ihr Absorptionsmaximum im ultravioletten und sichtbaren Teil des Lichtes, während Perowskit den nahen Infrarotbereich effizient absorbieren kann. Durch die Kombination beider Materialien kann die Tandem-Solarzelle deshalb einen größeren Wellenbereich des Sonnenlichts effektiv absorbieren.

Das allein reicht aber noch nicht: Um hohe Effizienz zu erreichen, müssen die Verluste an den Grenzflächen zwischen den Materialien minimiert werden. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt im sogenannten Interconnect, der beide Solarzellen elektrisch und optisch miteinander verbindet. Dabei gilt: Je dünner der Interconnect, desto besser“, erklärt Brinkmanns Kollege Tim Becker. „Um Verluste so gering wie möglich zu halten, nutzen wir zur Kopplung eine ultra-dünne Schicht aus Indiumoxid, die mit nur 1,5 Nanometern so dünn ist, dass man jedem einzelnen Atom darin schon beinahe einen eigenen Vornamen geben könnte.“ Möglich wird das durch die sogenannte Atomlagenabscheidung, eine Methode, die besonders dünne Beschichtungen ermöglicht.

Bis zu 30 Prozent könnten drin sein

Das Ergebnis ist eine Tandem-Solarzelle, die sich in ersten Tests des Forschungsteams als sehr leistungsfähig erwies: Die Zelle brachte es auf einen Wirkungsgrad von 24 Prozent – das ist ein neuer Weltrekord. Es ist der höchste Wirkungsgrad, der bislang durch die Kombination von organischen und Perowskit-basierten Absorbern erzielt werden konnte. Bisherige Modelle von Tandem-Solarzellen erreichten maximal einen Wert von 20 Prozent. Modell-Simulationen der Wissenschaftler legen nahe, dass mit dem von ihnen entwickelten Ansatz in Zukunft Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad jenseits der 30 Prozent erreichbar sein könnten. „Der gleichzeitig bedeutend geringere Material- und Energiebedarf bei der Herstellung lässt diese Technologien auch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit sehr vielversprechend erscheinen“, erklärt Seniorautor Thomas Riedl von der Bergischen Universität.

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Quelle: Kai Brinkmann (Bergische Universität Wuppertal) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-04455-0

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